黑曲霉组学研究进展

黑曲霉作为重要的工业发酵菌株,被广泛用于多种有机酸和工业用酶的生产。随着组学技术的日益发展和成熟,黑曲霉的基因组、转录组、蛋白质组、代谢组等组学数据不断增长,宣告着黑曲霉生物过程研究大数据时代的到来。从单一组学的数据分析、多组学的比较到以基因组代谢网络模型为中心的多组学整合研究,人们对黑曲霉高效生产机制的理解不断深入和系统,这为通过遗传改造和过程调控对菌株的生产性能进行理性的全局优化提供了可能。本文回顾和总结了近年来黑曲霉的组学研究进展,并提出黑曲霉组学研究未来的发展方向。     

基于比速率及代谢流的黑曲霉突变株和野生株分析

黑曲霉具备优异的外源蛋白表达和分泌能力,从而被广泛应用于工业酶制剂的生产。通过研究黑曲霉突变株和野生株在相同培养条件下生理参数和代谢流的差异,确定了黑曲霉合成糖化酶过程中的限制性因素。宏观动力学分析发现,较之野生株,突变株具有较高的最大比生长速率,并且副产物得率降低了90%,底物利用率提高了近30%,表明突变株与野生株在碳源分配和产物转化率上具有明显的差异。利用流平衡分析（FBA）计算胞内代谢通量分布,发现还原力和核糖的供应水平是限制菌体合成的主要因素,而前体氨基酸是合成糖化酶最主要的限制性因素。这些研究结果为后续发酵工艺优化和菌株基因改造提供了有益的思路。     

黑曲霉产糖化酶黑箱模型的构建和应用

利用碳限制恒化实验研究了黑曲霉生长和糖化酶生产之间的相关性,结果表明当比生长速率低于0.068 h–1时,菌体生长与产酶是相关的,当比生长速率大于0.068 h–1时,菌体生长与产酶不相关。根据恒化实验结果获得黑曲霉葡萄糖底物消耗的Monod动力学模型,并结合葡萄糖和氧消耗的Herbert-Pirt方程和产物形成的Luedeking-Piret方程构建黑曲霉产糖化酶的黑箱模型。应用该模型设计指数补料分批发酵实验控制菌体比生长速率在0.05 h–1,使糖化酶的得率最高达到0.127 g糖化酶/g葡萄糖,并成功地使用模型描述了黑曲霉产糖化酶的发酵过程。实验值和模拟值进行比较表现出很好的适用性,表明黑箱模型可以用于指导黑曲霉产糖化酶发酵过程的设计和优化。     

生物过程代谢组学与代谢流测定

整合的代谢组学和13C代谢流数据能充分反映细胞的代谢状态,对代谢组学和代谢流的测定技术已成为工业生物过程研究的重要手段,并能为工业生物过程优化和高产菌株理性设计提供重要帮助。阐述了代谢组学和代谢流测定的完整流程,包括实验方法、数据处理方法和软件工具,并综述了其在代谢途径鉴定、代谢机制解析和代谢工程等领域的应用进展。     

不同培养方式下dCO_2对黑曲霉发酵产糖化酶的影响

通过在进气中混入部分CO_2气体,在分批培养和恒化培养两种培养方式下研究了不同dCO_2水平对黑曲霉产糖化酶的影响。在分批培养方式下,较高的dCO_2对细胞的生长具有抑制作用,并且随着dCO_2水平的增加,抑制程度加强,但是较高浓度的dCO_2对糖化酶的合成有利。而恒化培养时,低稀释率D_1=0.05/h下,较高的dCO_2对细胞的生长并没有明显的抑制作用,但有利于糖化酶合成。高稀释率D_2=0.08/h下,较高的dCO_2对细胞的生长有明显的抑制作用,并且抑制程度随着dCO_2水平的增加而加大。以上实验结果表明,dCO_2对细胞生长和糖化酶合成的影响不仅和dCO_2水平有关,也和培养方式及细胞所处的特定代谢状态有关。这对于黑曲霉产糖化酶工业放大过程中补料分批发酵中比生长速率的设计具有很好的指导作用。