Metabolic flux analysis of the two astaxanthin-producing microorganisms Haematococcus pluvialis and Phaffia rhodozyma in the pure and mixed cultures
- 作者
- Qing-Lin Dong, Xue-Ming Zhao, Hong-Wu Ma, Xiang-Ying Xing, Nai-Xia Sun
- 单位
- Department of Biochemical Engineering, School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin, PR China
- 杂志
- Biotechnology Journal（2006）
- DOI
- 10.1002/biot.200600060
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明混合培养条件下两种虾青素产生菌（雨生红球藻和法夫酵母）代谢通量分布的变化，揭示混合培养促进虾青素合成的机制。
研究策略
构建两种菌的代谢网络，利用MATLAB进行代谢通量平衡分析，比较纯培养与混合培养下胞外代谢物及通量分布的变化。
核心内容
该研究针对雨生红球藻与法夫酵母纯培养及混合培养体系，构建了两菌的代谢网络模型，利用MATLAB进行代谢通量平衡分析，系统比较了不同培养条件下胞外代谢物与通量分布的变化。结果显示，混合培养中法夫酵母流向虾青素的碳通量增加20%，主要归因于雨生红球藻光合作用释放的氧气；雨生红球藻从Calvin循环输出至分解代谢的碳通量减少33%，流向甘油醛-3-磷酸的通量增加25%，其虾青素合成碳通量较纯培养提高2.8倍。具体动力学参数方面，雨生红球藻比虾青素生成速率由0.0092增至0.026 mmol/g DCW/h，最终虾青素含量由1.12升至2.88 mg/g，生物量由0.96增至1.32 g/L。研究识别出GAP节点（Calvin循环）和丙酮酸节点（EMP途径）为控制虾青素合成的关键分支点，揭示了混合培养通过氧气、丙酮酸与CO2交换实现协同促进的代谢机制，为微生物类异戊二烯生产的通量分析提供了新范式。
创新点
首次将代谢通量分析应用于微生物类异戊二烯生产研究；揭示了混合培养中两种微生物通过氧气、丙酮酸和CO2交换促进虾青素合成的代谢机制；识别了控制虾青素合成通量的关键节点（GAP和丙酮酸节点）。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Phaffia rhodozyma | EMP pathway (glycolysis) | — | — | 催化 | 葡萄糖分解产生丙酮酸和ATP |
| Phaffia rhodozyma | Pentose phosphate pathway | — | — | 能量供给 | 产生NADPH用于合成代谢 |
| Phaffia rhodozyma | TCA cycle | — | — | 能量供给 | 氧化乙酰辅酶A产生还原力和ATP |
| Phaffia rhodozyma | Mevalonate (MVA) pathway to astaxanthin | — | — | 催化 | 从乙酰辅酶A合成IPP并生成虾青素 |
| Phaffia rhodozyma | Pyruvate secretion | — | — | 转运 | 向胞外分泌丙酮酸 |
| Haematococcus pluvialis | Calvin cycle | — | — | 催化 | 固定CO2合成GAP |
| Haematococcus pluvialis | MEP pathway to astaxanthin | — | — | 催化 | 以GAP和丙酮酸为前体合成IPP并生成虾青素 |
| Haematococcus pluvialis | EMP and PP pathways | — | — | 催化 | 分解代谢，提供中间物和还原力 |
| Haematococcus pluvialis | TCA cycle | — | — | 能量供给 | 产生还原力 |
| Haematococcus pluvialis | Light reaction of photosynthesis | — | — | 能量供给 | 产生ATP和NADPH并释放O2 |
| Haematococcus pluvialis | Pyruvate uptake | — | — | 转运 | 摄取胞外丙酮酸 |
关键发现
- 在混合培养中，P. rhodozyma中流向虾青素合成的碳通量增加20%，这可能归因于H. pluvialis光合作用释放的氧气和升高的氧消耗
- H. pluvialis从Calvin循环输出至分解代谢的碳通量减少33%，流向甘油醛-3-磷酸（GAP）的通量增加25%，流向虾青素合成的碳通量比纯培养提高2.8倍
- H. pluvialis的比虾青素生成速率由0.0092增至0.026 mmol/g DCW/h，比生长速率由0.026增至0.039 h^-1，最终生物量由0.96增至1.32 g/L，最终虾青素含量由1.12增至2.88 mg/g
- P. rhodozyma的比葡萄糖消耗率由0.962增至1.08 mmol/g DCW/h，比氧摄取率由1.52增至1.68 mmol/g DCW/h，而比CO2释放率由1.46升至1.51 mmol/g DCW/h。
研究结论
基于代谢通量分析，混合培养下P. rhodozyma通过利用H. pluvialis光合作用产生的氧气增加虾青素合成通量20%；H. pluvialis则通过摄取P. rhodozyma分泌的丙酮酸和CO2，降低了Calvin循环流向分解代谢的通量（减少33%），提高了GAP和丙酮酸前体供给，使虾青素合成通量提高2.8倍。GAP节点（Calvin循环）和丙酮酸节点（EMP途径）是控制虾青素合成的关键分支点。