Comprehensive characterization of toxicity of fermentative metabolites on microbial growth
- 作者
- Brandon Wilbanks, Cong T. Trinh
- 单位
- Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Tennessee; Bioenergy Science Center, Oak Ridge National Laboratory
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2017）
- DOI
- 10.1186/s13068-017-0952-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
短链羧酸、醇和酯等发酵代谢产物对微生物生长的毒性缺乏系统比较研究，难以指导工业发酵中代谢产物和宿主的选择。
研究策略
以E. coli MG1655为底盘，在厌氧条件下系统测量32种短链羧酸、醇和酯在不同浓度下对生长速率和细胞量（OD）的影响，并关联代谢产物的碳数、官能团、支链结构、能量密度、总表面积和疏水性等理化性质，分析毒性规律。
核心内容
该研究以大肠杆菌MG1655为底盘，在厌氧条件下系统测定了32种短链羧酸、醇和酯在不同浓度下对微生物生长速率和细胞量的影响，并关联碳数、官能团、支链结构、总表面积及疏水性等理化性质，以解析发酵代谢产物的毒性规律。结果显示，乙醇在10 g/L时生长速率和OD仅降低12%和25%，而丁醇在7.5 g/L时生长速率（0.29±0.03 1/h）和OD（0.50±0.05）即下降超过50%，15 g/L时完全抑制；己醇在2.5 g/L即完全抑制，辛酸在5 g/L完全抑制，丁酸丁酯为最毒化合物，1 g/L即完全抑制。所有支链异构体的毒性均低于对应直链异构体，且化合物疏水性（分配系数）与毒性显著相关，碳数、总表面积和分配系数之间存在强相关（R²>0.94）。该研究表明长链化合物毒性更强、支链结构毒性更低，疏水性可作为代谢物毒性的定量预测指标，为工业发酵中目标产物和宿主的选择提供了理论依据。
创新点
首次在相同条件下系统比较32种发酵代谢产物的毒性；发现支链异构体毒性低于直链异构体；发现酯的毒性受醇部分链长影响（同等碳数下长链醇酯毒性更强）；提出疏水性（分配系数）作为代谢物毒性的定量预测指标。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli MG1655 | — | — | — | — | 厌氧条件下表征32种短链羧酸、醇和酯对微生物生长的影响 |
关键发现
- 乙醇在10 g/L时生长速率和OD仅降低12%和25%
- 丁醇在7.5 g/L时生长速率（0.29±0.03 1/h）和OD（0.50±0.05）降低超过50%，15 g/L完全抑制
- 己醇在2.5 g/L完全抑制
- 辛酸在5 g/L完全抑制
- 丁酸丁酯为最毒化合物，1 g/L即完全抑制
- 丁酸乙酯在5 g/L时生长速率0.36±0.01 1/h，OD 0.54±0.02
- 所有支链异构体毒性低于直链异构体
- 疏水性（logP）与毒性呈显著相关，且碳数、总表面积和分配系数之间存在强相关（R^2>0.94）。
研究结论
短链醇、酸和酯对E. coli健康表现出不同的毒性效应，长链化合物毒性更强，支链化合物毒性更低。疏水性（分配系数）可作为评估代谢物毒性的定量预测指标，有助于工业发酵中目标代谢产物和宿主的选择。