Macroscopic modelling of the growth and substrate consumption of wild type and genetically modified Pichia pastoris
- 作者
- Jewel Ann Joseph, Simen Akkermans, Jan F. Van Impe
- 单位
- BioTeC+, Chemical and Biochemical Process Technology and Control, Department of Chemical Engineering, KU Leuven, Ghent, Belgium
- 杂志
- Biotechnology Journal（2023）
- DOI
- 10.1002/biot.202300164
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
野生型与基因改造巴氏毕赤酵母在甘油和甲醇上的生长及底物消耗动力学特征不明确，缺乏可指导过程优化的宏观模型
研究策略
通过批次培养实验测定不同初始底物浓度下的细胞生长与底物消耗数据，拟合Monod、Haldane和Cardinal Parameter Model三种动力学模型，基于WMSE评估模型适用性，并比较野生型与基因改造菌株的动力学参数
研究路线图
核心内容
本研究通过批次培养实验系统测定了野生型与基因改造巴氏毕赤酵母在甘油和甲醇两种碳源上的生长及底物消耗动力学数据，并拟合了Monod、Haldane和Cardinal Parameter Model三种宏观动力学模型，基于加权均方误差评估模型适用性。结果显示，甘油条件下Haldane模型优于Monod模型，基因改造菌株的加权均方误差从9.08e-4降至7.29e-4，最优比生长速率由野生型的0.259 h⁻¹提高至0.304 h⁻¹，增幅约17%。甲醇条件下Cardinal Parameter Model拟合最佳，野生型最优比生长速率为0.097 h⁻¹，其最适与最大底物浓度分别为2.40 mg/mL和34.5 mg/mL，而基因改造菌株的最优比生长速率升至0.113 h⁻¹，最适浓度提高至12.62 mg/mL，但最大耐受浓度降至27.7 mg/mL。此外，甘油上的细胞得率显著高于甲醇，但两菌株间无显著差异。该工作首次实现了两种菌株在双底物条件下的动力学参数系统对比，揭示基因改造主要改变了生长速率及底物耐受范围而并未改变整体动力学行为模式，所建立的模型可有效指导补料分批发酵中碳源流加策略的优化。
创新点
首次对比野生型与基因改造P. pastoris的生长与底物消耗动力学；首次将Cardinal Parameter Model应用于描述甲醇对P. pastoris生长的毒性作用；发现基因改造菌株在两种底物上均表现出更高的生长速率
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Pichia pastoris GS115 (野生型和基因改造型) | 甲醇利用途径 | AOX1 | 醇氧化酶 (AOX) | 催化 | AOX是甲醇氧化第一步的关键酶，AOX1启动子受甲醇诱导，过量甲醇产生毒性 |
| Pichia pastoris GS115 (基因改造型) | 重组蛋白表达 | thaumatin II (pre-pro-thaumatin-II-pro) | Thaumatin II | 调控 | 通过pPICZalphaB载体亚克隆表达，造成代谢负担并影响生长动力学 |
关键发现
- 甘油条件下，Haldane模型优于Monod模型，基因改造菌株WMSE从9.08e-4降至7.29e-4（降低约20%）；野生型最优比生长速率μopt=0.259 h^-1，基因改造菌株μopt=0.304 h^-1（提高约17%）。
- 甲醇条件下，CPM模型最佳，野生型μopt=0.097 h^-1，Sopt=2.40 mg/mL，Smax=34.5 mg/mL；基因改造菌株μopt=0.113 h^-1，Sopt=12.62 mg/mL，Smax=27.7 mg/mL；基因改造后甲醇耐受上限从34.5降至27.7 mg/mL，最适浓度从2.40升至12.62 mg/mL。
- 甘油上细胞得率远高于甲醇，但两种菌株间得率无显著差异。
研究结论
P. pastoris在甘油上的生长呈Haldane动力学（高浓度抑制），在甲醇上的生长可由CPM描述（甲醇毒性导致生长速率在超过最适浓度后急剧降至零）；基因改造改变了动力学参数（提高最优生长速率、改变最适和最大底物浓度），但整体生长行为相似；该模型可用于优化fed-batch过程的碳源补料策略。