Scale-up of an amoeba-based process for the production of the cannabinoid precursor olivetolic acid
- 作者
- Johann E. Kufs, Christin Reimer, Emily Steyer, Vito Valiante, Falk Hillmann, Lars Regestein
- 单位
- Bio Pilot Plant, Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology - Hans Knöll Institute (Leibniz-HKI), Jena, Germany; Evolution of Microbial Interactions, Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology - Hans Knöll Institute (Leibniz-HKI), Jena, Germany; Faculty of Biological Sciences, Friedrich Schiller University Jena, Jena, Germany; Biobricks of Microbial Natural Product Syntheses, Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology - Hans Knöll Institute (Leibniz-KHI), Jena, Germany; Present Address: Biochemistry/Biotechnology, Faculty of Engineering, Hochschule Wismar University of Applied Sciences Technology, Business and Design, Wismar, Germany
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2022）
- DOI
- 10.1186/s12934-022-01943-w
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何将基于变形虫（盘基网柄菌）的大麻素前体橄榄醇酸生产生物过程从摇瓶放大到工业相关规模，同时克服细胞对剪切力的敏感性。
研究策略
以最大局部能量耗散率（εmax）作为放大准则，通过实验确定盘基网柄菌可耐受的剪切应力极限，并在不同规模反应器中保持恒定εmax，结合预培养适应策略逐步放大。
核心内容
本研究以变形虫盘基网柄菌为宿主，探索将大麻素前体橄榄醇酸的生产过程从摇瓶放大至工业相关规模。针对变形虫对剪切力敏感的特点，首次采用最大局部能量耗散率（εmax）作为放大准则，并通过实验确定该菌株可耐受的εmax上限为3.9 W/kg。在1.6-L实验中验证了该剪切极限后，研究者结合预培养阶段逐步增加剪切力的适应策略，依次在7-L和300-L搅拌釜反应器中实现放大。结果显示，300-L规模下橄榄醇酸产量达4.8 μg/L，生产力0.04 μg/L/h，最大细胞数1.2×10^8 cells/mL，产量与摇瓶相当，且溶氧维持在70%以上；产物峰值后细胞活力从88%降至42%。该工作证明基于εmax的放大策略可有效克服剪切力限制，为变形虫生物过程在工业规模生产天然产物提供了可行路径。
创新点
['首次将最大局部能量耗散率（εmax）应用于变形虫生物过程的放大，而非传统搅拌器尖端速度或体积功率输入', '确定了盘基网柄菌最大可耐受εmax为3.9 W/kg', '通过预培养阶段逐渐增加剪切力适应，显著缩短了大规模培养的延滞期', '成功在300-L搅拌釜反应器中实现橄榄醇酸生产，产量与摇瓶相当']
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Dictyostelium discoideum pChR7菌株 | 大麻素前体橄榄醇酸生物合成途径 | — | 杂合聚酮合酶（hybrid PKS enzyme） | 催化 | 该杂合酶负责催化合成橄榄醇酸，是工程化变形虫生产大麻素前体的关键酶 |
关键发现
- 在1.6-L实验中，搅拌器尖端速度1.5 m/s时细胞正常生长，对应的εmax为3.9 W/kg
- 7-L规模中，橄榄醇酸产量为2.53 μg/L，生产力0.018 μg/L/h，得率0.3 μg/g葡萄糖，最大细胞数6.03×10^7 cells/mL，最大CTR为5.9 mmol/L/h，CDW约4.5 g/L
- 300-L规模中，橄榄醇酸产量为4.8 μg/L，生产力0.04 μg/L/h，得率0.56 μg/g葡萄糖，最大细胞数1.2×10^8 cells/mL，最大CTR为7.2 mmol/L/h，CDW约4.2 g/L，DOT保持在70%以上
- 细胞活力在产物峰值后从88%下降至42%。
研究结论
本研究成功开发了基于变形虫的放大策略，通过确定并保持最大局部能量耗散率，证明了盘基网柄菌可在300-L工业相关规模上生产大麻素前体橄榄醇酸，且产量与摇瓶相当，为变形虫生物过程的大规模应用和天然产物生产提供了可行途径。