花生四烯酸发酵动态代谢通量分析模型
亿爹与生物互程2007,voI.24
No.6
田
Chemistry&BIoengineering
花生四烯酸发酵动态代谢通量分析模型
金明杰。黄和,刘欣,任路静,张昆
(南京工业大学制药与生命科学学院,江苏南京210009)
摘要:分析了高山被孢霉发酵生产花生四烯酸的动力学特征,建立了氮源与葡萄糖双底物限制动力学模型,并结合代谢流分析理论提出了花生四烯酸发酵动态代谢通量分析模型,通过非线性最小二乘法优化拟合获得参数。进一步实验表明这个模型具有较高的精确度,能很好地模拟发酵过程,并能很容易地获得不同发酵时间的代谢流分布。
.
关键词:动态代谢通量分析;动力学模型;发酵;花生四烯酸中图分类号:TQ
920.1
文献标识码:A文章编号:1672—5425(2007)06一004l—04
花生四烯酸(Arachidonicacid,AA)属于旷6系列种子培养基的250mL三角瓶中,25℃、150
r・min_1
下摇瓶培养2d得种子液,接入5L发酵罐进行发酵。发酵条件:温度26℃,搅拌转速250r・min~,装液量
3
L,通气量2.OL・min~,pH值6.0。1.3分析方法
糖浓度的测定:SBA生物传感分析仪测定。菌丝体于重的测定:将培养物抽滤,并用蒸馏水洗
涤3次。抽干后,60℃烘干至恒重(含水量在4%以下),称重。
鉴于高山被孢霉在氮源受限制发酵时AA产量比菌油的提取:索氏提取法提取粗菌油。氮源充足时高口…,同时目前大部分发酵过程都采用限脂肪酸测定:参见文献[12]。
制性氮源发酵[5’1¨,作者在此建立了氮源与碳源双底菌体碳、氮元素含量的测定:利用EAlll2元素分析物限制动力学模型,并进一步根据代谢通量分析理论仪测得菌体(不含油脂)中的碳含量为41%、氮含量为构建了花生四烯酸动态代谢通量分析模型,拟为定向5%。
调控发酵过程提供依据。
发酵液氮元素的衡算:发酵液氮浓度=发酵液
l
实验
起始氮浓度一菌体干重×5%
1.1菌种和培养基
2双底物限制动力学模型的构建
高山被孢霉ME一1(Mo以ier8Z肠Ⅱzpi咒8ME—1),南花生四烯酸限制氮源发酵曲线如图1所示(所提到京工业大学代谢工程实验室保存。
的菌体量都是扣除油脂后的)。从图1可知,菌体生长种子培养基(g・L叫):葡萄糖60,酵母膏5.0,
存在一个迟滞期,菌体生长加快氮源消耗也迅速加快,KH2P04
3.o,pH值6.0。
随着氮源的基本耗尽菌体也停止生长,表明氮源浓度是发酵培养基(g・L-1):葡萄糖60,酵母膏5.O,
影响菌体生长的限制性基质。在菌体生长阶段(O~96KH2P043.O,MgS041,NaN03
3,pH值6.o。
h)葡萄糖基本是充足的,同时其它条件(如溶氧等)对菌1.2发酵工艺
体生长影响不大。而到了稳定期(96~144h)葡萄糖浓用5mL无菌水将活化斜面菌种洗入装有50mL
度成了限制脂肪酸合成的因素。基于以上分析,建立模
基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(BK2005114),江苏省博士后科研资助计划项目
收稿日期:2007—03~30
作者简介:金明杰(1981一),男,江苏吴江人,硕士研究生,主要研究方向:代谢工程;通讯联系人:黄和,教授。E-mail:huangh@
njut.edu.cn。
万
方数据长链多不饱和脂肪酸,具有多种生理活性[1”],应用广泛[4]。微生物发酵法生产AA的研究主要集中在培养基的优化嘲、菌种的筛选嘲和关键酶啪等方面,同时氮源充足条件下碳源限制发酵过程动力学模型也已建立‘8|,但花生四烯酸发酵过程的定向调控一直是个难题。代谢通量分析(MFA)嘲通过量化细胞体内的代谢流获得代谢通量分布图,为明确细胞内代谢过程、产物合成过程提供了可能。
囝一金明杰等:花生四烯酸发酵动态代谢通量分析模型/207年_6期
型如下。
警可卉f。
㈣
式(1)~(6)构成了花生四烯酸发酵双底物限制的
动力学模型。
々甲王
3基于动力学模型的动态代谢通量分析模型
3.1代谢通量模型的构建
高山被孢霉体内AA合成代谢网络见图2。在高
山被孢霉菌体内,用于合成脂肪酸的NADPH由苹果
图l
Fig.1
花生四烯酸限制氮源曲线
bioma妇andfattyacids
酸酶(Malicenzyme)脱羧作用即‘i转氢酶循环”提
Time_c帅rs髂of
供嗍。
G1uc0∞
synth鹳isinfermentation
2.1氮源受限制菌体生长及氮源消耗动力学模型的构建
选择氮源为影响菌体生长的唯一限制性基质,考虑到菌体浓度的增加对自身生长的抑制作用及生长存在迟滞期,采用Bergter[133模型并略加修正,建立如下生长动力学模型:
‘\、—.,~
警斗是并c,可以咄,
模型可用下式表示:
㈤
由于氮源只用来合成菌体,因此氮源消耗动力学
孥一o.05×警
生成模型
(2)
2.2碳源消耗动力学模型及受碳源浓度限制的油脂
由于迟滞期、指数生长期葡萄糖充足而稳定期葡萄糖成为脂肪酸合成的限制条件,为更准确地描述脂肪酸的合成及葡萄糖的消耗,对迟滞期、指数生长期与稳定期分别用模型描述。
用Luedeking和Piret[143模型来描述葡萄糖的消耗与菌体生长的关系如下:
①Malice“ym。⑦16:O^18:0Enl∞g∞。
1.—Ac叫.coA
D乎Li曲l伽血∞id△8,ll,14-20:3
A础idonic∽id△5,8,11,14.20:4
(AA)
j
鲁=一劬警一届以鲁=一口2警一屈矗
图2高山被孢霉体内从合成代谢网络Metabolicpamway耻tw"kof从synth髂isFig.2
in
(o~96h,迟滞期、指数生长期)
(3)
MDrf如reffn口lpfne
(96~144h,稳定期)
(4)
根据拟稳态假设,代谢中间物的积累为零,因此整个代谢途径碳流的去路可用化学计量反应式表示,从而构成了AA发酵代谢通量的分析模型。
(1)经过EMP+TCA循环完全氧化的碳流:
r1:6C02+12NADH+4ATP—C6H1206=O
迟滞期、指数生长期葡萄糖充足,对脂肪酸合成的限制性影响不大,并且脂肪酸的合成与菌体生长部分偶联,因此用L_P方程描述这个时期脂肪酸的合成:
鲁一。警+戤
稳定期菌体生长基本停止.,脂肪酸的合成相当于一个酶催化转化过程,且此阶段葡萄糖浓度对脂肪酸合成有限制性作用,因此选择Michaelis方程描述此过程:
(2)丙酮酸一草酰乙酸一苹果酸一丙酮酸循环“转氢酶循环”:
r2:一ATP—NADH+NADPH—O
将消耗的NADH和ATP折算成完全通过EMP+TCA循环消耗的碳流,则,.。可表示为:
万方数据
金明杰等:花生四烯酸发酵动态代谢通量分析模型/207年囊6期——固
(3)完全用于产AcCoA的碳流,即进入脂肪酸合成的碳流:
4结果与讨论
4.1动力学模型参数的求取
用四阶Runge-Kutte法求解上述微分方程,用非线性最小二乘法优化拟合m1得到动力学模型参数见表2。
表2
Tab.2
…,删霉兮一以
r3:一C6H1206+2H20+2NADH一2ATP+2NADPH+
动力学模型参数
Par哪eteI售0f
kineticmodels
(4)用于菌体生长的碳流,作碳元素衡算
r4:警×41%一堑号字×40%
成的葡萄糖分流浓度)
([Glu’]表示用于菌体合
,
n一黜一o.oos,×警
拟合效果见图3,f。、c。。、cs2、c,计算值与实验值之间的平均相对误差分别为1.0%、2.1%、6.8%、1.4%,拟合效果较好。
㈣
3.2基于动力学模型的动态代谢通量分析模型的构
建
指数生长期及稳定期脂肪酸组成及生成各脂肪酸所消耗的NADPH见表1。经衡算脂肪酸中各时期碳含量基本都为76%。对以上代谢通量模型做碳元素衡算得:
星-(i)
旷o.016×鲁
告洲畋矿嗍
茹m舸
J。
得
(9’
附
图3模型拟舍效果圈
C咖paris蚰ofexperimental
data蛐d
theoreticdata
r2一o.0026×警(迟滞期和指数生长期)
AA合成,对NADPH做衡算得:
4.2模型的验证
为了验证模型的误差,对另一组实验数据与模型
可将稳定期流人脂肪酸的碳流近似看作全部流入
预测值进行比较,结果见图4。c。c。,、c。,、邰计算值与实验值之间的平均相对误差分别为2.1%、4.4%、1.2%、3.4%,说明该模型能很好地描述氮源受限制发酵过程。
L1LO
r2一o.0033×等(稳定期)
j.
(10)
于是有n=一o.0056×;}一r2一r3一r4
111’
式(1)~(11)便构成了动态代谢通量分析模型。求解此模型可获得任意时间段(点)的r,~r。反应速率,继而归一化便可得到代谢通量分布图,从而获得发酵过程中代谢通量动态变化数据。
表l
Tab.1
98
7
n仉仉n6
m5m4
油脂中各脂肪酸含量以及合成各脂肪酸NADPH的消耗
C∞tent
of
一IlHle,n
,.
96168
CostsofNADPH/
mo卜mol一1
万方数据
一
vario璐fatty舵idsinlipidsc∞tsOfNADPH
of
various
m3
m2nlm0
鲫∞∞如柏∞∞m
0
and
ContentC18:O7.1
fatty
acidsin
lipids/%
C20:4
20.145.O
图4实验数据与预测值的比较
Fig.4
C16:0
27.115.5
C18:l26.517.6
C18:2
8.55.0
C18:32.01.O
CZ0:35.2
C22:O2.1
C仰lpari∞n
of
experimentaldataandpredicteddata
4.O5.03.0
4.3代谢流量分布探讨
通过动态代谢通量分析模型计算得到菌体发酵过程典型生长期第48h的r。~r。速率,归一化后得到代谢流分布图(图5)。从图5很明显地可以看出,要提
14151617、18192017
盈——金明杰等:花生四烯酸发酵动态代谢通量分析模型/207年一6期
高脂肪酸的产量就得调控代谢流在菌体生长、三羧酸[2]
MeydaniM.Modulation
ofthe
platelet
thromboxane
A2and
aor—
循环和脂肪酸合成中的分配,在保证细胞正常运转的tic
prostacyclin
synthesisbydietary
seleniumand
vitamin
E[J].
Biol情况下将流入三羧酸循环的代谢流降到最低,而将流TraceElem
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[3]VanderzeeI,,Nelemans
A,Den
Hertog
A.Arachidonicacidis
入脂肪酸合成的代谢通量调至最高。因此如何限制三functioning
as
a
secondmessenger
in
activating
theCa2+
entry羧酸循环的活性、引导代谢流向脂肪酸合成迁移是调process
on
H1一histaminoceptorstimulation
in
DDTl
MF。2
cells
控花生四烯酸发酵的重点。
[J].BiochemJ,1995,305(Pt3):859—864.
4.3/M煳
[4]
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Bi勘ss三&卫≤苎生tLipids
30一33.
卜
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sakurad8niE,HiranoY,KamadaN,eta1.
1mprovement
of
图5
48
h时点的代谢流分布
arachidonic
acidproduction
by
mutantswith
10wer"一3desatura—
tionactivity
derivedfrom
Fig.5
Fluxdistributionat
48thhour
Morfie卵z缸n助inn1§4[J].Applied
MicrobiologyandBiotechnology,2004,66(3):243—248.
5
结论
[7]
wynnJP,RatledgeC.Evidencethat
the
rate—nmitingstepfor
the
biosynthesisofarachidonicacid
in
MDrfiereZ£n口ZpinP
is
at
the
建立了氮源与葡萄糖双底物限制动力学模型,在
levelof
the18;3to
20:3
elongase[J].Microbiology,2000,
此基础上结合代谢流分析理论提出了花生四烯酸发酵146(9):2325—2331.
动态代谢通量分析模型,并通过非线性最小二乘法拟[8]鲍时翔,朱法科,林炜铁,等.花生四烯酸发酵过程动力学模型
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a
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engineering[J].
sci—
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生四烯酸发酵调控、探讨代谢网络刚柔节点以及探究[10]
wynnJP,Hamid
A
A,Ratledge
c,et
a1.Biochemical
events
代谢机理提供了依据。
leading
to
thediversionof
carbonintostoragelipids
in
the
oleagi—
符号说明:
nous
fungi
M“forcfMinPzzoidPs
and
Mo以iPrPz缸口印fnP口].Mi—
c。:油脂浓度,g・L1
£:时间,h
crobi0109y,200l,147(10):2857—2864.
c。,:氮源浓度,g・L1
£I|.延滞期时间,h
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R,PiretEL.A
kineticstudyof
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acidproductionn、n、r3、r4:反应速率,mm01.g_1・h1couplingfor
Lnff06nfi““5^PZu甜站“5
cultivated
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supplemented
K。,n,a。,且,a。,&,6,d:模型参数
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DvnamicFluxAnalVsisModelforArachidonicAcidFermentation
JINMing-jie,HUANGHe,LIUXin,RENLu.jing,ZHANGKun
(CD比班o,“知Scie礼cP口蒯P矗口僦c删£ic口Z五汤gi咒鲫t靠g,N口力i竹gL砌i说耶i砂。厂了k.1z加Zogy,Na巧现g210009,@i懈)
Abstract:Kinetic
modelsofarachidonic
acidfermentationby』Ⅵo以iPrPZZ口口Z夕i咒PME一1with1imitedN—
sourceandglucosewereestablishedbased
on
theexperimentaldata.
Then
a
dynamiefluxanalysismodelbased
on
thekineticmodelswasproposedaccordingto
thetheoryofmetabolicfluxanalysis.
Andtheoptimalparame—
ters
wereevaluated.
Furtherexperimentaldataverifiedthe
accuracy
ofthemodelsandtheresultshowedthat
themodelsappeared
to
provide
a
reasonabledescriptionforthefermentation,andthefluxdistributions
at
dif—
ferenttimecouldbeeasilyobtained.
Keywords:dynamicfluxanalysis;kineticmodel;fermentation;arachidonicacid
万
方数据
花生四烯酸发酵动态代谢通量分析模型
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
金明杰, 黄和, 刘欣, 任路静, 张昆, JIN Ming-jie, HUANG He, LIU Xin, RENLu-jing, ZHANG Kun
南京工业大学制药与生命科学学院,江苏,南京,210009化学与生物工程
CHEMISTRY & BIOENGINEERING2007,24(6)
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