《基於能量調控的生物催化過程研究》是依託揚州大學，由熊健擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於能量調控的生物催化過程研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：熊健
- 依託單位：揚州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
生物催化過程往往同時包含能量代謝過程和物質代謝過程，能量代謝直接影響物質代謝，能量代謝速率與物質代謝速率不相匹配是造成生物催化效率低下的根本原因。本項目面向工業生物過程，擬以生物合成胞二磷膽鹼為研究對象，探討酵母全細胞生物催化中能量代謝與物質代謝相互影響機制，揭示代謝過程中物質流和能量流的通量分配關係，通過能量代謝調控，使能量代謝速率與物質代謝速率相匹配，最終實現目標產物的高效生物合成。本項目主要開展三方面研究工作：首先，建立基於能量流和物質流的新型代謝平衡分析方法；其次，解析能量代謝與物質代謝的相互影響機制；最後，構建可控的能量再生與耦聯體系。本項目將較系統的闡明生物催化過程中能量代謝調控的一般方法和普遍規律，為其它生物催化體系提供理論基礎和研究方法，推動我國綠色化工的發展。
結題摘要
本項目以CDP-膽鹼高效合成為研究目標，基於生理功能工程以及能量再生與耦聯理論和方法，就CDP-膽鹼合成的關鍵因素及其調控機理和能量再生效率的調控開展研究。主要研究內容與結果如下： 1．通過簡化CDP-膽鹼生物合成的代謝網路模型，利用通量平衡分析計算實驗和理論的代謝通量分布。代謝通量分布結果顯示，通過強化底物水平磷酸化，解除高能荷對糖酵解途徑的抑制，在體系中維持高能量水平，才能滿足CMP和膽鹼的磷酸化需要，同時保護關鍵酶，最終提高CDP-膽鹼合成效率和能量利用效率。 2．針對ATP再生效率低下的問題，採用添加銨離子、乙醛等小分子效應物的策略，解除了ATP對糖酵解關鍵酶的抑制，改善了細胞的氧化還原狀態，提高了細胞的能量再生效率，提高了CDP-膽鹼的產率。30 mmol/L銨離子解除高ATP水平對糖酵解代謝速率的抑制，磷酸果糖激酶的活性提高了20%，能量利用效率提高到8.6%。120 mmol/L乙醛使NAD+濃度提高了66.7%。經過24h反應生成11.70 g/L CDP-膽鹼，能量利用效率提高到12.1%。 3．通過對Kennedy途徑關鍵影響因素的考察，提高該途徑的代謝通量，使之與能量再生途徑高效耦聯。結果表明，外加1%甘油緩解了細胞膜受到的來自胞外的高滲透壓，保護胞苷轉移酶的立體構型。另外，1%甘油的加入，減弱甘油支路的通量，提高能量的利用效率。經過24h反應，CDP-膽鹼濃度提高到9.38 g/L，比對照提高了27.7%，能量利用效率達到9.7%。 4．考察各因素對CDP-膽鹼體系綜合調控的影響，最佳化反應體系，並對最佳化前後代謝通量分布進行對比分析。利用銨離子、乙醛和甘油共同調節啤酒酵母催化合成CDP-膽鹼體系，結果發現，在CDP-膽鹼合成初期，厭氧條件下，葡萄糖被快速消耗，進入糖酵解途徑。NADH/NAD+減小，增大了糖酵解途徑的通量，提高了ATP再生效率，FBP的積累通量增大了近4倍。甘油支路的通量減少了60%，ATP的再生效率增加了28.2%。合成期時，膽鹼磷酸化的通量比對照提高了42.4%。合成末期，CDP-膽鹼的合成速率比對照有所增加。最終CDP-膽鹼濃度達到16.44 g/L，對CMP的得率達到78.3%，能量利用效率達到17.0%。
