过程优化提高解脂亚洛酵母积累α-酮戊二酸

目前,应用解脂亚洛酵母发酵生产α-酮戊二酸由于产量和底物转化率低、生产周期长等问题,仍未大规模工业化生产。为了解决这些问题,以研究室诱变选育获得的1株高产α-酮戊二酸的解脂亚洛酵母Yarrowia lipolytica WSH-Z06 C3为出发菌株,考察了该菌株在50 L发酵罐中转速、碳酸钙浓度、溶氧以及补料方式(多节点补料、恒速补料)等因素对α-酮戊二酸积累的影响。结果表明,当转速为300 r/min时,α-酮戊二酸和丙酮酸的产量分别为32.4 g/L和19.66 g/L;碳酸钙质量浓度为20 g/L时,α-酮戊二酸的产量提高至38.55 g/L,丙酮酸降低至8.28 g/L;控制溶氧水平在50%时,α-酮戊二酸产量为42.39 g/L,此时丙酮酸为6.22 g/L。比较高初始甘油浓度和不同的补料发酵策略,发现恒速补料效果最好,发酵144 hα-酮戊二酸产量达到66.27 g/L,丙酮酸产量为20.82 g/L。通过上述发酵过程参数的优化,α-酮戊二酸的产量和底物的转化率比未优化前分别提高了67.3%和4.56%,为解脂亚洛酵母工业化生产α-酮戊二酸提供一定参考。     

营养条件对光滑球拟酵母积累α-酮戊二酸的影响

以光滑拟球酵母为研究模型,研究α-酮戊二酸的浓度情况。通过单因素实验得到α-酮戊二酸积累最佳浓度的各单因素条件为：葡萄糖浓度140g／L,NH4Cl浓度5g／L。在碳源（30g/L葡萄糖初始浓度）匮乏条件下加入丙酮酸30g／L,在此条件下丙酮酸转化为α－酮戊二酸的转化率最高达53．7％。以30g／L丙酮酸为唯一碳源时在7L发酵罐中光滑拟球酵母可生成浓度为10．7g/Lα-酮戊二酸,外源丙酮酸的转化率可达66．9％。这一结果表明,T．glabrata具有将丙酮酸转化为α-KG的能力。     

微生物发酵生产α-酮戊二酸研究进展

α-酮戊二酸是微生物三羧酸循环中重要的代谢中间产物,是连接细胞内碳-氮代谢的关键节点,具有广泛的应用价值.文中从4个方面归纳了国内外关于α-酮戊二酸研究进展:能够过量积累α-酮戊二酸的原核和真核微生物的发现和筛选;硫胺素缺陷型和氮源饥饿引起的α-酮戊二酸过量积累的生理学特性;控制培养环境中的pH、溶氧和辅因子对生产α-酮戊二酸发酵过程控制与优化;调控辅因子再生和代谢途径改造高产菌株.最后,讨论了微生物法生产α-酮戊二酸存在的不足和今后研究的方向.     

解脂耶氏酵母诱变育种及发酵产α-酮戊二酸条件优化

对具有发酵产α-酮戊二酸能力的解脂耶氏酵母(Yarrowia Lipolytica)ZY-4进行了紫外诱变和NTG诱变育种,筛选得到产量提高的突变株,并对突变株的发酵培养基进行了优化,结果表明,紫外诱变和NTG诱变后筛选到的突变株分别比原始出发菌株产量提高了67.8%和110%。优化后发酵培养基成分为甘油8%,氯化铵5.0 g/L,硫胺素1.0μg/L,磷酸二氢钾1.0 g/L,七水硫酸镁0.5 g/L,培养基优化后α-酮戊二酸产量比原始出发菌株提高了232.4%。     

提高光滑球拟酵母乙酰辅酶A水平促进α－酮戊二酸合成

[目的]为了了解光滑球拟酵母中乙酰辅酶A含量对其碳代谢及其通量的影响.[方法]将来源于酿酒酵母中编码乙酰辅酶A合成酶ACS2基因过量表达于发酵法生产丙酮酸的生产菌株Torulopsis glabrata中,获得了一株乙酰辅酶A合成酶活性提高9.2倍(1.20 U/mg protein)的重组菌T. glabrataACS2-1.[结果]与出发菌株WSH-IP303相比,重组菌T glabrataACS2-1:(1)能以乙酸为唯一碳源在胞内积累0.94 mmol/(L·g DCW)的L酰辅酶A;(2)以葡萄糖为唯一碳源时胞内乙酰辅A浓度、α-酮戊二酸产量和Cα-KG,Cpyr是出发菌株WSH-IP303的3.22、2.05和2.52倍;(3)在葡萄糖培养基中添加4 g/L 乙酸,使乙酰辅酶A浓度、α-酮戊二酸产量和CαKG>>/Cpyr是出发菌株WSH-IP303的4.55、2.47和3.75倍,α-酮戊二酸浓度达到17.8 g/L.[结论]这一结果表明,改变细胞内关键辅因子的浓度能使碳代谢流的流向与通量发生改变,从积累丙酮酸转向过量积累α-酮戊二酸.     

光滑球拟酵母中α-酮戊二酸脱氢酶系生理作用解析

[目的]研究α-酮戊二酸脱氢酶系在光滑球拟酵母碳代谢流、能量代谢和氨基酸代谢中的生理作用.[方法]通过敲除光滑球拟酵母中编码α-酮戊二酸脱氢酶系中E1酶的基因kgd1,构建α-酮戊二酸脱氢酶活性缺失菌株T.glabrata kgd1::kan,并考察KGDH缺失引起TCA循环关键酶活性,碳代谢流量以及胞内氨基酸和能荷水平等方面的变化.[结果]光滑球拟酵母中α-酮戊二酸脱氢酶活性的缺失导致:(1)细胞启动乙醛酸途径,通过形成TCA-乙醛酸循环实现TCA循环的正常代谢;(2)胞内NADH/NAD+水平下降33.7%,ATP/ADP水平下降31.8%,而与NADH代谢相关的丙酮酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶的活性分别提高58.1%、33.3%和32.5%;(3)胞内丙酮酸含量下降50.1%,而胞内琥珀酸、苹果酸和α-酮戊二酸含量则分别增加了172.7%、66.1%和41.1%;(4)丙酮酸族氨基酸含量下降29.3%,而胞内谷氨酸族氨基酸和天冬氨酸族氨基酸含量则提高了34.7%和26.8%.[结论]上述研究结果表明,α-酮戊二酸脱氢酶系在微生物细胞中心碳代谢、能量代谢和氨基酸代谢中发挥着重要作用.     

环境条件对丙酮酸分批发酵的影响

考察了搅拌转速、pH和温度对丙酮酸分批发酵的影响。高转速（500r／min）下,丙酮酸产率较高（71％）,但葡萄糖消耗速度较慢（1．23g／（L·h））;低转速（300r／min）下,细胞消耗葡萄糖的速度加快（1．95g/（L·h））,而丙酮酸产率（0．48％）却明显下降。将搅拌转速恒定在400r／min可在一定程度上获得较高的丙酮酸产率（0．62％）和葡萄糖消耗速度（1．66g／（L·h））。CaCO3调节pH时,较多碳流从丙酮酸节点转向α-酮戊二酸节点和细胞生长,最终丙酮酸产量比NaOH调节pH时的发酵结果低38．7％;NH3·H2O调节pH时最终细胞浓度和丙酮酸产量仅为NaOH调节时的77．8％和90．9％。pH5．5时最利于丙酮酸的合成。较高的发酵温度加速T.glabrata积累丙酮酸,但同时会导致α-酮戊二酸的提前积累;而较低的温度下甘油和α-酮戊二酸积累较少,丙酮酸发酵的最适温度为28～30℃。     

酶法转化生产α-酮酸的研究进展

α-酮酸是一种同时含有羧基和酮基的双官能团有机化合物,广泛应用于食品、药品和化妆品等行业。为了满足环境友好、安全高效和可持续发展的社会要求,利用酶转化法生产α-酮酸受到人们的广泛关注。文中从酶的筛选、酶的改造以及酶的转化条件优化3个方面介绍丙酮酸、α-酮戊二酸、酮亮氨酸、酮缬氨酸、苯丙酮酸和酮蛋氨酸酶法合成的研究状况,并展望了α-酮酸进一步高效生产的发展方向。     

维生素在丙酮酸过量合成中的重要作用

研究了烟酸、硫胺素、吡哆醇、生物素和核黄素对一株光滑球拟酵母(\%Torulopsis glabrata\%) WSH\|IP303以葡萄糖为碳源、以氯化铵为唯一氮源生产丙酮酸的影响。利用正交试验方法,确证了硫胺素是影响WSH\|IP303生产丙酮酸的最重要因素。在硫胺素浓度一定(0.01～0.015mg/L)的前提下,提高烟酸浓度有助于加快耗糖速度。当烟酸、硫胺素、吡哆醇、生物素和核黄素的浓度分别为8、0.015、0.4、0.04和01mg/L时,摇瓶发酵48h,丙酮酸产量和产率可分别达到52.4g/L和0525g/g。采用优化的维生素组合方式,进行2.5L罐分批发酵,在初糖浓度120g/L的条件下发酵57.5h,丙酮酸产量和产率分别达到69.4g/L和0593g/g,分别比摇瓶培养的最好结果提高了32.%和13%。     

提高光滑球拟酵母乙酰辅酶A水平促进a-酮戊二酸合成

【目的】为了了解光滑球拟酵母中乙酰辅酶A含量对其碳代谢及其通量的影响。【方法】将来源于酿酒酵母中编码乙酰辅酶A合成酶ACS2基因过量表达于发酵法生产丙酮酸的生产菌株Torulopsis glabrata中,获得了一株乙酰辅酶A合成酶活性提高9.2倍(1.20 U/mg protein)的重组菌T. glabrata ACS2-1。【结果】与出发菌株WSH-IP303相比,重组菌T. glabrata ACS2-1：(1)能以乙酸为唯一碳源在胞内积累0.94 mmol/(L·g DCW)的乙酰辅酶A;(2)以葡萄糖为唯一碳源时胞内乙酰辅酶A浓度、a-酮戊二酸产量和Ca-KG/Cpyr是出发菌株WSH-IP303 的3.22、2.05和2.52倍;(3)在葡萄糖培养基中添加4 g/L乙酸,使乙酰辅酶A浓度、a-酮戊二酸产量和Ca-KG/Cpyr是出发菌株WSH-IP303的4.55、2.47和3.75倍,a-酮戊二酸浓度达到17.8 g/L。【结论】这一结果表明,改变细胞内关键辅因子的浓度能使碳代谢流的流向与通量发生改变,从积累丙酮酸转向过量积累a-酮戊二酸。     

大肠杆菌产L-苯丙氨酸发酵调控及代谢通量分析

考察了外源添加中间代谢产物、维生素B1和硫酸镁对大肠杆菌发酵产L-苯丙氨酸的影响,结果表明,添加1g/L柠檬酸三钠、1g/Lα-酮戊二酸、150mg/L维生素B1及3g/L硫酸镁均对L-苯丙氨酸的合成有利。根据构建的大肠杆菌合成L-苯丙氨酸的生化反应网络,利用代谢通量分析其原因。结果表明,这些物质的添加均可以调节G6P和PEP节点处的代谢通量分布,为L-苯丙氨酸的合成提供更多的前体物质赤藓糖四磷酸(E4P)、磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和还原力NADPH。通过补料分批发酵实验得出,优化后菌体对总葡萄糖的消耗提高了24.49%,菌体终浓度提高了23.50%,L-苯丙氨酸的终浓度提高了62.87%,L-苯丙氨酸的收率提高了30.88%,乙酸的合成降低了56.51%。     

硫胺素对Arthrobacter sp.A302环磷酸腺苷发酵的影响

研究在培养基中加入硫胺素（V B1）对cAMP发酵的影响。结果表明：V B1的最适添加量为0.5 g/L,与对照组相比,环磷酸腺苷（cAMP）产量和细胞干质量分别提高了36.4%和41.8%,达到7.5和7.8 g/L。琥珀酸和α-酮戊二酸的含量有明显的提高,平均提高了43.59%和40.77%;同时,主要副产物乙酸的含量没有明显变化。在发酵过程中,V B1的加入对ATP的含量及与cAMP合成密切相关的几种酶的活性也有显著的影响。     

氧载体对小白链霉菌发酵生产ε-聚赖氨酸的影响

为了有效改善发酵体系中的溶氧水平,提高小白链霉菌Streptomyces albulus PD-1发酵生产ε-聚赖氨酸的能力,文中通过对氧载体的种类、最佳添加浓度以及添加时间进行筛选,最终确定在0 h添加0.5%(V/V)的正十二烷促进ε-聚赖氨酸生产效果最佳。在5 L发酵罐0 h添加0.5%的正十二烷进行批次补料发酵,ε-聚赖氨酸的产量和菌体干重分别可以达到(30.8±0.46)g/L和(33.8±0.29)g/L,较之对照组分别提高了31.6%和20.7%。ε-聚赖氨酸的产量和菌体干重的提高归因于0.5%正十二烷的添加促进发酵液中溶氧水平从23.8%提高到32%,同时发酵液中的一种主要副产物(聚二氨基丙酸)的含量下降31%。实验结果表明,正十二烷的添加可以提高S.albulus PD-1发酵液中的溶氧水平,抑制副产物的生成,促进ε-聚赖氨酸的合成。     

TCA循环关键节点对L-谷氨酸合成的影响

谷氨酸是一种重要的氨基酸,其衍生出来的高值化产品具有广泛的应用,市场需求量巨大。文中通过对出发菌株谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum E01和谷氨酸高产菌C. glutamicum G01进行转录组测序与重测序分析,挑选中心代谢途径中转录水平和基因水平上存在差异的基因进行研究,以挖掘出对谷氨酸合成影响较大的基因进一步提高谷氨酸的产量。草酰乙酸节点和α-酮戊二酸节点在谷氨酸合成中扮演着重要角色,探索研究了草酰乙酸节点和α-酮戊二酸节点对谷氨酸生产的扰动影响。综合以上实验结果构建的整合菌株,5 L发酵罐发酵过程中其菌体生长速率较原始菌略有降低,但48h的谷氨酸产量高达(136.09±5.53)g/L,较原始菌的(93.53±4.52)g/L提高了45.5%;糖酸转化率提高至58.9%,较原始菌的45.2%提高了13.7%。可见,上述实验策略的应用在一定程度上提高了谷氨酸产量和糖酸转化率,为谷氨酸棒杆菌的代谢工程改造提供了理论基础。     

维生素B1与健康

维生素Ｂ１又称抗神经炎素、硫胺素或噻嘧胺。维生素Ｂ１有多种生理功能,与人类的健康有密切关系。１维生素Ｂ１的生理功能主要以辅酶方式参加糖的分解代谢。硫胺素的衍生物焦磷酸硫胺素（ＴＰＰ）是羧酶、丙酮酸脱氢酸和α－酮戊二酸脱氢酶的辅酶。在醇发酵过程中,它作...     

NaCl、Mn(Ⅱ)、L-谷氨酰胺和α-酮戊二酸对地衣芽孢杆菌WBL-3合成新型土壤修复材料γ-PGA的影响

聚γ-谷氨酸(γ-PGA)及其衍生物是一种新型土壤修复和改良材料,能吸附土壤中的重金属和放射性核物质等污染物,也可作为保水材料应用于干旱环境。NaCl、Mn(Ⅱ)、L-谷氨酰胺和α-酮戊二酸四因素对Bacillus licheniformisWBL-3合成γ-PGA产量及分子量有重要影响。分别用L-谷氨酰胺和α-酮戊二酸代替L-谷氨酸,Bacillus licheniformisWBL-3未产生γ-PGA。单因素试验表明:γ-PGA产量均随四因素浓度的增大呈现先增大后减小的趋势,γ-PGA产量分别在NaCl,Mn(Ⅱ)、L-谷氨酰胺和α-酮戊二酸浓度为6%,100μmol.L-1,1.5 mmol.L-1和10 mmol.L-1时达到最大值35.79g.L-1,24.77 g.L-1,30.07 g.L-1和26.09 g.L-1;γ-PGA分子量随NaCl浓度的增大而增大,随α-酮戊二酸浓度的增大而减小,随Mn(Ⅱ)、L-谷氨酰胺浓度的增大而呈现先增大后减小的趋势。正交试验证明了单因素试验的结论,四因素间没有交互作用的影响,最优组合为NaCl:6%,α-酮戊二酸:10 mmol.L-1,Mn(Ⅱ):100μmol.L-1,L-谷氨酰胺:1.5 mmol.L-1,产量达到55.62 g.L-1。     

谷氨酸氧化酶高产菌株的筛选鉴定及催化生产α-酮戊二酸

采用简易的偶联终点显色反应(Trinder显色反应),从土壤中分离出高产谷氨酸氧化酶(LGOX)的菌株不透明红球菌Rhodococcus opacus FMME1-41,并对此菌株的产酶特性进行研究。结果表明:该菌株所产LGOX主要分泌在发酵液中,对L-谷氨酸具有较强的底物专一性,最适pH 6.5,最适温度为35℃,Mn~(2+)是该酶的激活剂。通过发酵培养基优化,培养30 h时LGOX活力达到6.4 U/m L。利用该酶转化L-谷氨酸生产α-酮戊二酸,在最佳转化条件下转化20 h,α-酮戊二酸产量达到91.2 g/L,转化率为91.8%,α-KG生产强度为4.56 g/(L·h)。     

过表达氨基葡萄糖脱氨酶对大肠杆菌氨基葡萄糖合成及中心碳代谢的影响

考察过表达氨基葡萄糖脱氨酶对氨基葡萄糖合成及大肠杆菌（Escherichia coli）中心碳代谢的影响。实验结果表明：过表达氨基葡萄糖脱氨酶使得在36 g/L葡萄糖,pH为9.0的发酵条件下,发酵24 h后,重组菌发酵液中氨基葡萄糖、丙酮酸和乙酸的量分别是对照菌Rosetta的2.1、1.48和1.74倍;而乳酸的量为2.53 g/L,对照菌Rosetta发酵液中的乳酸含量未检测到,重组菌发酵液中柠檬酸及α-酮戊二酸的含量分别是Rosetta的2.99和2.73倍。     

蚕氨基酸代谢之研究 Ⅲ.丝腺体L-天门冬氨酸及α-酮戊二酸形成丙氢酸之机制

研究了家蚕(Bombyx mori L.),天蚕蛾科之蓖麻蚕(Philosama cynthia ricini B.)及柞蚕(Antheraea pernyi G.)丝腺体后部自L-天门冬氨酸与α-酮戊二酸形成丙氨酸的机制。以上各种蚕的丝腺体组织都可利用L-天门冬氨酸与α-酮戊二酸形成丙氨酸,谷氨酸及CO_2。当存在DL-环丝氨酸(10~(-4)M)时,形成较多的谷氨酸与丙酮酸,而丙氨酸之量显著地减少。以L-天门冬氨酸与α-酮戊二酸或以L-谷氨酸与丙酮酸为底物,对丙氨酸之形成具有相同的抑制程度。DL-环丝氨酸(10~(-4))并不抑制谷-天转氨酶与草酰乙酸脱羧酶,但在同样条件下,可显著抑制谷-丙转氨酶的活力(～90%)。此外,若以L-天门冬氨酸或其与小量α-酮戊二酸为底物,尤其是用透析后之酶液,并无显著的丙氨酸与CO_2形成。我们认为,自L-天门冬氨酸与α-酮戊二酸形成之丙氨酸,并非通过Bheemeswar提出的L-天门冬氨酸β-脱羧酶之作用,而是经过三个相继的反应,即在谷-天转氨酶催化下,形成谷氨酸与草酰乙酸,后者除非酶促分解外,在草酰乙酸脱羧酶作用下,形成丙酮酸与CO_2;由以上两反应所形成之谷氨酸与丙酮酸,在蚕丝腺普遍存在的谷-丙转氨酶催化下形成丙氨酸(见图8)。     

一些氨基酸对产甘油假丝酵母甘油生产的促进作用

以EMP途径与TCA循环中间代谢物的添加为对照,研究在尿素为氮源的产甘油假丝酵母发酵过程中添加氨基酸对甘油产量的影响。结果表明:对甘油产量有强促进作用的氨基酸有谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺、甘氨酸、赖氨酸、酪氨酸、脯氨酸、组氨酸和丝氨酸,其最适添加浓度在0.26～0.45g/L之间,丙酮酸、α_酮戊二酸、草酰乙酸、柠檬酸和琥珀酸的最适添加浓度在0.24～0.42g/L之间;赖氨酸最适于在0h添加,丙酮酸和草酰乙酸在第14h,谷氨酸、谷氨酰胺、组氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、酪氨酸、甘氨酸、α_酮戊二酸和琥珀酸在第30h,天冬酰胺、丝氨酸和柠檬酸在第48h;在最适条件下添加这些促进剂,甘油产量均呈显著增加趋势,转化率和增加率分别达到60%和16%以上。氨基酸的作用机理为其脱氨形成的碳骨架经特定的分解代谢途径进入TCA循环,使其强化,导致碳代谢流在3_磷酸甘油醛节点处发生转移,使甘油合成途径的代谢流增加。