鸟苷发酵条件的优化研究

以枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)TA208为供试菌株,运用单因素实验方法进行了摇瓶条件下发酵培养基以及发酵条件的优化研究,在最优发酵条件下鸟苷产量达到19．79g／L,比基本培养条件提高32．37％。     

产生L-异亮氨酸的黄色短杆菌的代谢途径分析

目的:代谢工程要解决的主要问题是改变某些途径中的碳架物质流量或改变碳架物质流在不同途径中的流量分布,其目标就是修饰初级代谢,将碳架物质流导入目的产物的载流途径,以获得产物的最大转化率。方法:利用途径分析方法对黄色短杆菌生产L-异亮氨酸的途径进行了分析。结果:建立了9种基础模型,确定L-异亮氨酸理论最高摩尔产率是1;确定了黄色短杆菌生产L-异亮氨酸的最佳途径的通量分布,并以此为依据进行发酵溶氧控制优化,溶氧分阶段控制发酵生产L-异亮氨酸比溶氧恒定控制方式发酵的产率提高了8.2%。结论:根据途径分析结果,通过改变发酵过程有关参数,可使目的产物产率得到提高。     

鸟苷补料分批发酵的研究

目的:以枯草芽孢杆菌TA208为出发菌株,研究了补料分批发酵方式下各种参数对鸟苷产量的影响。方法:采用补料分批发酵工艺,利用纸层析法测定发酵液中鸟苷的产量。结果:确定了葡萄糖、酵母粉和次黄嘌呤的最优补料方式,使鸟苷产量达到32.05g/L,较分批发酵方式提高了36.3%。结论:发酵工艺过程控制对发酵生产鸟苷具有重大影响。     

鸟苷发酵过程的定量和优化:抑制NH4+离子积累提高了苷产量70%

基于质量守恒定律和代谢反应中间代谢物的拟稳态假设,定量研究了枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)代谢流分布随时间变化的特征。研究结果表明,在鸟苷发酵过程40h左右,存在着从己糖单磷酸途径到酵解途径的代谢流迁移,所迁移的碳源主要生成了氨基酸和有机酸。定量研究的结果,为发酵过程的工艺优化提供了重要依据。     

应用规模缩小方法的鸟苷发酵过程放大*

利用鸟苷生产菌株枯草芽孢杆菌(B.subtilis)754#,在50L发酵罐成功优化的基础上,分别在12M^3的中试规模和100M^3的生产规模进行了放大,产苷分别达到29．4g/L和21．4g/L;进而通过过程缩小(scale down)方法,从代谢流动态变化的角度研究了放大过程中存在的问题,发现DO是限制过程放大的另一重要因素,据此将50L规模克服代谢流迁移的优化工艺成功放大到生产规模,使产苦水平进一步提高了18％,达25．2g/L。     

鸟苷发酵过程的定量和优化：抑制NH4+离子积累提高了苷产量70%

基于质量守恒定律和代谢反应中间代谢物的拟稳态假设,定量研究了枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）代谢流分布随时间变化的特征。研究结果表明,在鸟苷发酵过程40h左右,存在着从己糖单磷酸途径到酵解途径的代谢流迁移,所迁移的碳源主要生成了氨基酸和有机酸。定量研究的结果,为发酵过程的工艺优化提供了重要依据。     

鸟苷发酵过程代谢流迁移的分析

以典型的代谢控制发酵产品鸟苷为例说明了一种基于过程参数的相关分析来研究发酵过程中代谢流迁移的方法。通过对发酵过程多参数的相关性分析,结合生物合成代谢途径、氨基酸和有机酸积累的分析,确认了发酵过程代谢流向EMP途径的迁移,认为造成这种代谢流迁移的原因可能是过程铵离子积累。在此基础上,通过对过程参数实时检测分析和及时调整EMP和HMP代谢通量使产率提高了35％。      

代谢工程在核黄素生产上的应用

核黄素(维生素B2)为天然水溶性的B族维生素,是维持机体代谢所必须的营养物质。目前核黄素的工业化生产主要有微生物发酵法和化学半合成法两种,其中微生物发酵法以生产工艺简单、原料廉价、环境友好以及资源可再生等优点而倍受世界核黄素生产商的青睐。代谢工程是近二十年来发展起来的新型学科,主要利用分子生物学技术对细胞进行遗传修饰,从而改进产物生成或细胞特性。为进一步提高核黄素产量,通过代谢工程手段构建出了核黄素高产菌株,其中尤以枯草芽孢杆菌最为成功。要得到较高的核黄素产率,必须保证碳架、能量等价物以及氧化还原辅(酶)因子在细胞代谢过程中处于适当的比率。以枯草芽孢杆菌进行核黄素生产为例,主要从增强碳源和能源利用效率、增强核黄素生物合成途径代谢流以及解除核黄素生物合成过程中的反馈调节方面综述了代谢工程在指导核黄素生产方面的应用,并讨论了其未来的发展方向。     

枯草芽孢杆菌同义密码子使用偏性对蛋白质折叠速率的影响

目前,有关同义密码子使用偏性对蛋白质折叠的影响研究中,样本蛋白均来源于不同的物种。考虑到同义密码子使用偏性的物种差异性,选取枯草杆菌的核蛋白为研究对象。首先,将每条核蛋白按二级结构截取为α螺旋片段、β折叠片段和无规卷曲（α-β混合）片段,并计算其蛋白质折叠速率。然后,整理每个片段相应的核酸序列信息,计算其同义密码子使用度。在此基础上,分析枯草芽孢杆菌核蛋白的同义密码子使用偏性与蛋白质折叠速率的相关性。发现对于不同二级结构的肽链片段,都有部分密码子的使用偏性与其对应的肽链折叠速率显著相关。进一步分析发现,与肽链片段折叠速率显著相关的密码子绝大部分为枯草杆菌全序列或核蛋白序列的每一组同义密码子中使用度最高的密码子。结果表明,在蛋白质的折叠过程中,枯草芽孢杆菌的同义密码子使用偏性起着重要作用。     

鸟嘌呤核苷高产茵的育种策略

选育优良的鸟嘌呤核苷(鸟苷)产生菌是实现发酵法生产鸟苷的前提,在鸟苷发酵的建立和改进中起着非常重要的作用。本分析了鸟苷的生物合成途径及代谢调节机制,根据代谢控制发酵“进、通、节、堵、出”五字原理,提出鸟苷高产菌的育种策略：鸟苷高产菌株在遗传学上应具备Ade^-,red^-、NP^-、8-AG^r(或8-AX^r)、MSO^r,SG^r,AAR^r,Sm^r等遗传标记,并详述了其育种实例。     

利用degQ基因提高枯草芽孢杆菌纤溶酶表达

从枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)中通过PCR扩增得到degQ基因,将其克隆到含有枯草杆菌纤溶酶基因的蔗糖诱导表达载体pUBS中,并转化至B．subtillis DB403受体菌,得到基因工程菌DB403(pUBSD)。通过发酵表达证实degQ基因能增强枯草杆菌纤溶酶的表达,酶活提高了2．2倍。同时还对不同种类的糖、不同浓度蔗糖、不同诱导时间等发酵条件进行优化和比较研究。     

Pathway analysis of Pichia pastoris to elucidate methanol metabolism and its regulation for production of recombinant proteins

This research rationally analyzes metabolic pathways of Pichia pastoris to study the metabolic flux responses of this yeast under methanol metabolism. A metabolic model of P. pastoris was constructed and analyzed by elementary mode analysis (EMA). EMA was used to comprehensively identify the cell's metabolic flux profiles and its underlying regulation mechanisms for the production of recombinant proteins from methanol. Change in phenotypes and flux profiles during methanol adaptation with varying feed mixture of glycerol and methanol was examined. EMA identified increasing and decreasing fluxes during the glycerol–methanol metabolic shift, which well agreed with experimental observations supporting the validity of the metabolic network model. Analysis of all the identified pathways also led to the determination of the metabolic capacities as well as the optimum metabolic pathways for recombinant protein synthesis during methanol induction. The network sensitivity analysis revealed that the production of proteins can be improved by manipulating the flux ratios at the pyruvate branch point. In addition, EMA suggested that protein synthesis is optimum under hypoxic culture conditions. The metabolic modeling and analysis presented in this study could potentially form a valuable knowledge base for future research on rational design and optimization of P. pastoris by determining target genes, pathways, and culture conditions for enhanced recombinant protein synthesis. The metabolic pathway analysis is also of considerable value for production of therapeutic proteins by P. pastoris in biopharmaceutical applications. © 2013 American Institute of Chemical Engineers Biotechnol. Prog., 30:28–37, 2014     

黄色短杆菌TK0303的L-亮氨酸生物合成途径分析

应用途径分析方法分析了在拟稳态时黄色短杆菌(Brevibacterium flavum)TK0303由葡萄糖发酵生产L-亮氨酸的代谢途径,确定了L-亮氨酸合成的最佳途径和最大理论产率。通过比较途径分析所获得的反应模型,确定了丙酮酸和乙酰辅酶A是L-亮氨酸合成途径的关键节点。在此基础上改变外界环境因子,强化L-亮氨酸生物合成途径中丙酮酸和乙酰辅酶A两个关键节点的代谢流,以期进一步提高L-亮氨酸产率。结果表明,经过谷氨酸以及醋酸铵的调节,代谢途径流量发生显著变化,L-亮氨酸产量有明显提高。     

代谢网络定量分析研究进展

综述了代谢工程中代谢控制分析、代谢通量分析、生化系统理论、途径分析、控制论模型等定量分析方法的基本理论,以实例说明了这些方法的应用,并对代谢分析方法的发展进行了展望。     

Enhancement of riboflavin production by overexpression of acetolactate synthase in a pta mutant of Bacillus subtilis

Genetic alterations of carbon flux into the acetoin biosynthesis pathway as a possible means to reduce acid accumulation were investigated in the riboflavin-producing Bacillus subtilis during growth on glucose. The lower rates of cell growth and riboflavin production were found in the pta-disrupted mutant while the rate of acetate formation was reduced. In contrast, acid accumulation was significantly reduced, to one-fifth that of the parental strain RH33::[pRB63](n), and a 50% increase in the riboflavin yield was obtained when the expression of the gene encoding acetolactate synthase was increased in the pta-disrupted mutant. Metabolic analysis, together with enzyme activity assays, indicated that the tricarboxylic acid cycle fluxes are significantly increased in response to acetolactate synthase overexpression in pta-disrupted mutant. Moreover, the intracellular ATP-to-ADP ratio also increased 5.8-fold. The high concentration of ATP could explain the increased riboflavin production.     

Metabolic flux analysis for succinic acid production by recombinant Escherichia coli with amplified malic enzyme activity

A pfl ldhA double mutant Escherichia coli strain NZN111 was used to produce succinic acid by overexpressing the E. coli malic enzyme. Escherichia coli strain NZN111 harboring pTrcML produced 6 and 8 g/L of succinic acid from 20 g/L of glucose in flask culture at 37 degrees C and 30 degrees C, respectively. When NZN111(pTrcML) was cultured at 30 degrees C with intermittent glucose feeding the final succinic acid concentration obtained was 9.5 g/L and the ratio of succinic acid to acetic acid was 13:1. This system could not be analyzed by conventional metabolic flux analysis techniques, since some pyruvate and succinic acid were accumulated intracellularly. Therefore, a new flux analysis method was proposed by introducing intracellular pyruvate and succinic acid pools. By this new method the concentrations of intracellular metabolites were successfully predicted and the differences between the measured and calculated reaction rates could be considerably reduced.     

基元模式分析在生物网络和途径分析中的应用

基元模式分析是应用最广泛的代谢途径分析方法。基元模式分析的研究对象从代谢网络发展到信号传导网络;研究尺度从细胞到生物反应器,甚至生态系统;数学描述从稳态分解到动态解析;研究领域从微生物代谢到人类疾病。以下综述了基元模式分析的算法和软件开发现状,以及其在代谢途径与鲁棒性、代谢通量分解、稳态代谢通量分析、动态模型与生物过程模拟、网络结构与调控、菌株设计和信号传导网络等方面的应用。开发新的算法解决组合爆炸问题,探索基元模式与代谢调控的关系以及提高菌株设计算法效率是今后基元模式的重要发展方向。