莱蒂亚驹形杆菌315生物合成细菌纤维素
发布时间：2022-01-03 08:24
细菌纤维素（Bacterial Cellulose,BC）是一种由一些微生物菌株代谢产生的胞外多糖。由于其纯度高、具有优良的理化性能,被广泛应用于食品、医疗、化工等领域。由于BC的生产成本偏高,限制了其广泛应用。因此获得高产、优质的BC生产菌株,最大限度发挥BC产生菌的合成能力,是降低BC生产成本、扩大应用的基础。本文对来自红茶菌的一株产BC的新菌种莱蒂亚驹形杆菌315（Komagataeibacter rhaeticus 315,简称K.rhaeticus 315）进行了全基因组分析,在了解其代谢特征的基础上,通过优化能量供给方式,弱化分支代谢通路,提高BC合成前体—葡萄糖的转化率,为降低BC的生产成本奠定基础。此外,鉴于BC产生菌具有界面合成的特征,本文还对发酵方式和条件进行了研究。具体研究结果如下:（1）K.rhaeticus 315全基因组数据表明,K.rhaeticus 315全基因组大小为3.70 Mbp,平均覆盖率470X,GC含量63.98%,其中预测编码DNA序列数（CDS）为3314条。该菌株的基因组序列中缺乏磷酸果糖激酶的编码基因,不能通过EMP途径代谢葡萄糖产生...
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
细菌纤维素的结构式Fig.1-1Thestructuralformulaofbacterialcellulose
江南大学硕士学位论文21.1.3BC生物合成途径BC的生物合成是一个多步骤反应且每一步都需要多种酶的催化及激活，主要包括：聚合、分泌、组装与结晶四大过程[13]。如图1-2所示，当葡萄糖作为碳源底物时，该生物合成途径可被描述如下：（1）葡萄糖在葡萄糖激酶的作用下磷酸化成葡萄糖-6-磷酸（G-6-P）；（2）葡萄糖变位酶催化葡萄糖-6-磷酸转化成葡萄糖-1-磷酸（G-1-P）；（3）G-1-P在焦磷酸化酶的作用下合成尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）；（4）最后，纤维素合成酶在细胞膜上催化UDPG合成β-1，4-葡萄糖苷链，再分泌到细胞外，装配形成BC[14-16]。其中UDPG是BC的直接前体物，BC产量的高低主要取决于碳源底物转化为UDPG的能力。BC生物合成过程受到能量代谢系统调控，当体系能荷较低时，葡萄糖转化成葡萄糖-6-磷酸（G-6-P），进入HMP途径并氧化产能；当能荷较高时，G-6-P合成受到ATP抑制，葡萄糖代谢流向BC合成方向[13]。纤维素的合成是一个绝对需要能量的过程[17]。另外，产BC的一些细菌具有独特的代谢特征，即缺乏磷酸果糖激酶（PEK），故菌体无法通过糖酵解（EMP）途径代谢产能，也无法在厌氧条件下代谢合成BC。磷酸戊糖途径（HMP）和三羧酸循环（TCA）两条代谢途径都间接参与了细菌纤维素的生物合成。所以如何平衡BC与代谢副产物的生成量，如何让碳源最大限度的流向BC合成，跟能量有很大的关系。有研究表明，在发酵培养基中外源添加一些物质可以有效改变细菌纤维素的生物合成（即碳代谢）流向，从而提高BC产量。已知的一些添加剂有：羧甲基纤维素（CMC）、有机酸、海藻酸钠、琼脂、乙醇等。例如Lin等[18]通过研究表明当培养基中添加1%CMC，BC产量提高了6.3倍，且该BC膜的持水性变强。Lee等[19]发现外源添加1.4%（v/v）的乙醇可以使BC产量提高4倍，并
江南大学硕士学位论文163.1.2基因序列比对本研究将K.rhaeticus315菌株的全基因组序列与模式菌株中的K.xylinusE25进行了基因比对。结果如图3-1所示，两株菌只有小部分基因簇可以比对上，基因序列基本不一样。因此，作为产BC的新菌种，基因组的测序分析有利于后期更深入的理解菌体的代谢机制。图3-1K.rhaeticus315与K.xylinusE25基因比对Fig.3-1GenecomparisonbetweenK.rhaeticus315andK.xylinusE253.1.3代谢产物分析据报道，碳源是影响BC产量和结构差异的主要因素之一[73]。从基因组序列中可以推测K.rhaeticus315菌株对果糖的利用不好，因为菌体不存在编码果糖激酶的基因（frk），所以果糖无法被转化为果糖-6-磷酸以及6-磷酸-葡萄糖。K.rhaeticus315对于双糖的利用也不佳，主要是因为K.rhaeticus315基因组中缺乏编码蔗糖酶、麦芽糖酶等双糖酶的基因。此外由于菌株不具备EMP途径，菌体主要通过HMP途径和TCA途径来代谢碳源，此时碳源主要流向三个代谢途径：菌体生长代谢、合成BC、合成酸类副产物。从图3-2的发酵曲线可以看出，发酵20d后，耗糖量为36.73g/L，BC产量为12.81g/L，葡萄糖酸生成量为32.25g/L，此时BC生产效率仅为0.0174，说明菌体在合成BC时，大部分碳源底物会流向副产物—葡萄糖酸的合成途径[22]，造成碳源浪费，目标产物合成效率低下。并且，大量的酸会降低发酵液的pH值，对菌体生长不利[74]。因此，使碳代谢主要流向产物合成途径对提高BC产量来说至关重要。
【参考文献】：
期刊论文
[1]大豆渣制备细菌纤维素的研究[J]. 高媛,邹小周,洪枫,陈琳. 纤维素科学与技术. 2018(02)
[2]椰子水的自然预发酵条件对细菌纤维素合成的促进性影响[J]. 王艳梅,贾佳,胡淇淞,徐传标,龙青姨,杨一冲,李从发,刘四新. 热带作物学报. 2018(01)
[3]巴氏醋杆菌高酸度醋发酵过程的能量代谢分析[J]. 亓正良,杨海麟,夏小乐,王武,余晓斌. 微生物学通报. 2013(12)
[4]巴氏醋酸杆菌沪酿1.01乙醇氧化产醋酸关键酶的研究[J]. 朱小明,夏小乐,杨海麟,王武. 食品工业科技. 2013(02)
[5]纳米材料细菌纤维素对大鼠皮肤创伤的促愈作用[J]. 马霞,陈世文,王瑞明,陆大年,贾士儒. 中国临床康复. 2006(37)
博士论文
[1]细菌纤维素生物合成的耐酸适应性机理[D]. 李元敬.中国科学院研究生院(东北地理与农业生态研究所) 2016
[2]酸激复合紫外诱变提高醋杆菌产酸能力及耐酸机理的研究[D]. 亓正良.江南大学 2013
硕士论文
[1]细菌纤维素—聚乙二醇乙酰化改性复合膜的制备与性能研究[D]. 于冬云.华东理工大学 2018
[2]细菌纤维素基复合材料的制备及性能研究[D]. 刘晖.南京林业大学 2016
[3]细菌纤维素的发酵生产及应用研究[D]. 仲华维.齐鲁工业大学 2013
本文编号：3565934
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
细菌纤维素的结构式Fig.1-1Thestructuralformulaofbacterialcellulose
江南大学硕士学位论文21.1.3BC生物合成途径BC的生物合成是一个多步骤反应且每一步都需要多种酶的催化及激活，主要包括：聚合、分泌、组装与结晶四大过程[13]。如图1-2所示，当葡萄糖作为碳源底物时，该生物合成途径可被描述如下：（1）葡萄糖在葡萄糖激酶的作用下磷酸化成葡萄糖-6-磷酸（G-6-P）；（2）葡萄糖变位酶催化葡萄糖-6-磷酸转化成葡萄糖-1-磷酸（G-1-P）；（3）G-1-P在焦磷酸化酶的作用下合成尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）；（4）最后，纤维素合成酶在细胞膜上催化UDPG合成β-1，4-葡萄糖苷链，再分泌到细胞外，装配形成BC[14-16]。其中UDPG是BC的直接前体物，BC产量的高低主要取决于碳源底物转化为UDPG的能力。BC生物合成过程受到能量代谢系统调控，当体系能荷较低时，葡萄糖转化成葡萄糖-6-磷酸（G-6-P），进入HMP途径并氧化产能；当能荷较高时，G-6-P合成受到ATP抑制，葡萄糖代谢流向BC合成方向[13]。纤维素的合成是一个绝对需要能量的过程[17]。另外，产BC的一些细菌具有独特的代谢特征，即缺乏磷酸果糖激酶（PEK），故菌体无法通过糖酵解（EMP）途径代谢产能，也无法在厌氧条件下代谢合成BC。磷酸戊糖途径（HMP）和三羧酸循环（TCA）两条代谢途径都间接参与了细菌纤维素的生物合成。所以如何平衡BC与代谢副产物的生成量，如何让碳源最大限度的流向BC合成，跟能量有很大的关系。有研究表明，在发酵培养基中外源添加一些物质可以有效改变细菌纤维素的生物合成（即碳代谢）流向，从而提高BC产量。已知的一些添加剂有：羧甲基纤维素（CMC）、有机酸、海藻酸钠、琼脂、乙醇等。例如Lin等[18]通过研究表明当培养基中添加1%CMC，BC产量提高了6.3倍，且该BC膜的持水性变强。Lee等[19]发现外源添加1.4%（v/v）的乙醇可以使BC产量提高4倍，并
江南大学硕士学位论文163.1.2基因序列比对本研究将K.rhaeticus315菌株的全基因组序列与模式菌株中的K.xylinusE25进行了基因比对。结果如图3-1所示，两株菌只有小部分基因簇可以比对上，基因序列基本不一样。因此，作为产BC的新菌种，基因组的测序分析有利于后期更深入的理解菌体的代谢机制。图3-1K.rhaeticus315与K.xylinusE25基因比对Fig.3-1GenecomparisonbetweenK.rhaeticus315andK.xylinusE253.1.3代谢产物分析据报道，碳源是影响BC产量和结构差异的主要因素之一[73]。从基因组序列中可以推测K.rhaeticus315菌株对果糖的利用不好，因为菌体不存在编码果糖激酶的基因（frk），所以果糖无法被转化为果糖-6-磷酸以及6-磷酸-葡萄糖。K.rhaeticus315对于双糖的利用也不佳，主要是因为K.rhaeticus315基因组中缺乏编码蔗糖酶、麦芽糖酶等双糖酶的基因。此外由于菌株不具备EMP途径，菌体主要通过HMP途径和TCA途径来代谢碳源，此时碳源主要流向三个代谢途径：菌体生长代谢、合成BC、合成酸类副产物。从图3-2的发酵曲线可以看出，发酵20d后，耗糖量为36.73g/L，BC产量为12.81g/L，葡萄糖酸生成量为32.25g/L，此时BC生产效率仅为0.0174，说明菌体在合成BC时，大部分碳源底物会流向副产物—葡萄糖酸的合成途径[22]，造成碳源浪费，目标产物合成效率低下。并且，大量的酸会降低发酵液的pH值，对菌体生长不利[74]。因此，使碳代谢主要流向产物合成途径对提高BC产量来说至关重要。
【参考文献】：
期刊论文
[1]大豆渣制备细菌纤维素的研究[J]. 高媛,邹小周,洪枫,陈琳. 纤维素科学与技术. 2018(02)
[2]椰子水的自然预发酵条件对细菌纤维素合成的促进性影响[J]. 王艳梅,贾佳,胡淇淞,徐传标,龙青姨,杨一冲,李从发,刘四新. 热带作物学报. 2018(01)
[3]巴氏醋杆菌高酸度醋发酵过程的能量代谢分析[J]. 亓正良,杨海麟,夏小乐,王武,余晓斌. 微生物学通报. 2013(12)
[4]巴氏醋酸杆菌沪酿1.01乙醇氧化产醋酸关键酶的研究[J]. 朱小明,夏小乐,杨海麟,王武. 食品工业科技. 2013(02)
[5]纳米材料细菌纤维素对大鼠皮肤创伤的促愈作用[J]. 马霞,陈世文,王瑞明,陆大年,贾士儒. 中国临床康复. 2006(37)
博士论文
[1]细菌纤维素生物合成的耐酸适应性机理[D]. 李元敬.中国科学院研究生院(东北地理与农业生态研究所) 2016
[2]酸激复合紫外诱变提高醋杆菌产酸能力及耐酸机理的研究[D]. 亓正良.江南大学 2013
硕士论文
[1]细菌纤维素—聚乙二醇乙酰化改性复合膜的制备与性能研究[D]. 于冬云.华东理工大学 2018
[2]细菌纤维素基复合材料的制备及性能研究[D]. 刘晖.南京林业大学 2016
[3]细菌纤维素的发酵生产及应用研究[D]. 仲华维.齐鲁工业大学 2013
本文编号：3565934
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