A szénhatékonyság az egyik fő tényező, amely meghatározza egy útvonalfolyamat életképességét, és amely a szubsztrátegységre jutó termék mennyiségének fő meghatározója. A szénhatékonyságot két tényező határozza meg: a szubsztrátból a termékbe jutó elektronmérleg, amely a szubsztrát és a termék redukciójának mértékéből számítható, valamint az a tény, hogy a meglévő anyagcsere-útvonalakat elsősorban a nagyobb reakciósebességre, nem pedig a magas szénhozamra tervezték. Az első tényező szorosan összefügg a szubsztrát és a termék kémiai összetételével. A második tényezőt az anyagcsereút áttervezésével lehet leküzdeni, ami lehetővé teszi a szubsztrát szénjének megtartását, vagy bizonyos esetekben a termékképződés során történő asszimilálását.

1. Redox egyensúly a élesztő metabolizmus A vegyi anyagok hatékony biológiai termeléséhez szükséges anyagcsere-utak hatékonysága számos tényezőtől függ, mint például a redox egyensúly, energiaegyensúly, termodinamikai megvalósíthatóság, sztöchiometriai egyensúly, fluxuskapcsolás, visszacsatolásos gátlás, terméktoxicitás, kinetika és így tovább. A sejtek anyagcseréje a sejtnövekedést és a redox-egyensúlyt a szubsztrátokból a különböző metabolitokba történő elektronátvitel révén tartja fenn. Ezért a kívánt metabolit előállítására szolgáló optimális bioszintetikus útvonalnak redox-semlegesnek kell lennie, és az útvonal hozamának (YP) el kell érnie a szubsztrát-céltermék kombináció maximális elméleti hozamát (YE), vagy ahhoz nagyon közel kell lennie.Az YP az érintett útvonaltól függ, és annak sztöchiometriája alapján határozható meg, míg az YE a szubsztrátból képezhető termék maximális mennyisége, és a szubsztrát-termék γS/γP arányból számítható ki, ahol γS és γP a szubsztrát, illetve a termék redukciójának mértéke. A redukció foka a vegyület egy szénatomjára jutó rendelkezésre álló elektronegyenértékek számaként határozható meg. Ezért az YE-nek figyelembe kell vennie a szubsztrát termékké történő átalakításához szükséges elektronegyensúlyt, ami megkövetelheti a szénveszteséghez vezető dekarboxilálást vagy a további szénfelvételt biztosító karboxilálást. Az alábbi ábra az élesztőközpont anyagcsereútját ábrázolja. 1. ábra: Élesztő központi szénanyagcsere útja, kiemelve a karboxilációs/dekarboxilációs lépések és a szubsztrát- és termékredukció mértékének változásai közötti kapcsolatot. A megfelelő szubsztrátok, köztes metabolitok és termékek redukciójának mértékét a színváltozás jelzi a piros (γ=0), sárga (γ=4) és kék (γ=6) között.
A szubsztrát és a céltermék redukciós foka szerint három esetre osztható: ha a szubsztrát és a céltermék redukciós foka megegyezik, akkor van egy ideális helyzet, amikor a szubsztrát teljesen átalakul termékké. Vagyis a tényleges termékhozam közel lehet a maximális elméleti hozamhoz (YE), de az anyagcserefolyamat során melléktermékek keletkeznek a biomassza képződéséhez és a sejtnövekedés fenntartásához, ami csökkenti a termékhozamot. Erre példa a tejsav (γ = 4,0), amely ugyanolyan mértékű redukcióval rendelkezik, mint a glükóz (γ = 4,0). Ezért a laktát termelési folyamata egy redox-semleges útvonal, kiegyensúlyozott sztöchiometriával, miközben lehetővé teszi az ATP előállítását, ami a maximális elméleti hozamhoz közeli sebességet eredményez. Összességében más szubsztrát-termékek esetében ritkán találunk olyan útvonalakat, amelyek nem termelnek túlzott redukáló energiát.
Ha a termék redukáltabb, mint a szubsztrát, a termék kialakulásához szükséges oxidációs reakciók további oxidatív ekvivalenseket (NAD+, NADP+, FADH+) termelnek. Ezen oxidatív ekvivalensek csökkentéséhez a sejtnek a redox-homeosztázis fenntartása érdekében szén-dioxiddá és/vagy más melléktermékké kell oxidálnia a szenet (pl. a pentóz-foszfát útvonalban (PPP), a TCA-ciklusban vagy a xilulóz-foszfát (XuMP) ciklusban). Ez a folyamat befolyásolhatja a szubsztrát céltermékké történő átalakításának általános hatékonyságát. Ilyenek például a zsírsavak, az etanol és a glicerin.
A glükóz szubsztrátként való felhasználása zsírsavak, például palmitinsav (γ = 5,75) előállításához csökkenti a zsírsavhozamot a magas NADPH-szükséglet és a szénlánc meghosszabbítása során felszabaduló CO2 miatt, ami szubsztrátvesztéshez vezet.Yu és munkatársai [1] a Saccharomyces cerevisiae-ben a zsírsavhozamot 40%-ig tudták növelni egy anabolikus reduktív anyagcsere-útvonal kialakításával, amelyet egy ismétlődő dekarboxilációs ciklus jellemez, hogy a sejtet további NADH-val, NADPH-val és ATP-vel lássa el.
A glükózból történő etanol előállítása során a NADH-ellátás szükségessége miatt egyes szubsztrátok CO2-vá és glicerinné oxidálódnak. Az etanol erjesztésére szolgáló természetes élesztő útvonal azonban megtartja a glükóz redukciójának mértékét (γ = 4,0), és az általános átlagos redukció γ = 4,0, amikor a CO2 és az etanol a végtermék.Így az anyagcsere útvonal a hozam szempontjából nagyon hatékony, mivel a szénforrásnak csak 4-5%-át alakítja át glicerinné. Hasonlóképpen, amikor 1,2-propándiolt (1,2-PDO) (γ=5,33) állítottak elő sörélesztőből glicerint (γ=4,66) egyedüli szénforrásként használva, a metabolikus mérnöki módosítás további NADH-t biztosított az 1,2-PDO szintézisének megkönnyítése érdekében, így az eddigi legnagyobb, >4 g/l 1,2-PDO hozamot értek el élesztőben.
Amikor a terméket a szubsztrát alatt redukálják, a termék előállítása során redukáló ekvivalensek és termék is keletkezik. A felesleges redukáló ekvivalensek újraoxidálásának gyakori mechanizmusa a légzési lánc általi oxidáció, amely során felesleges ATP keletkezik és/vagy hő szabadul fel. Ennek eredményeként a termékhozam a rendelkezésre álló elektronokkal elérhető elméleti maximum alatt van. Alternatív megoldásként a felesleges redukáló ekvivalensek a szénforrás egy részének redukálásával redukáló melléktermékké történő felhasználása is lehetséges. Ez a szubsztrát-termék kombináció képes szén megkötésére a célmetabolit hozamának növelése érdekében. A citromsav (γ = 3,0) glükózból történő előállításához hasonlóan a NADH képződéséből adódó energia-kiáramlás azt jelenti, hogy a sejt egyszerűen energiát nyerhet a célvegyület előállításával a hozamveszteség árán. A citromsav szintézisére szolgáló természetes biokémiai útvonal gyenge hatékonysága ezért lehetőséget jelent arra, hogy a szén rögzítésével elérhető maximális elméleti nyereséghez közeli értéket érjünk el.
Ezért a kívánt termékben felhasználandó szubsztrátokat a γS és γP alapján lehet kiválasztani, maximalizálva a hozamot. Az élesztő előnyben részesített szubsztrátja, a glükóz, felhasználható a glükózzal azonos γ-vel rendelkező termékek, például etanol (plusz CO2) vagy tejsav szintézisére. Bár a glükóz a preferált szubsztrát, a glükóz közvetlenül versenyez az élelmiszer- vagy takarmánytermeléssel. Ezért több olcsóbb szénforrás, például a glicerin, a metanol és a CO2 ígéretes szubsztrátnak számít.
A metanol (γ = 6,0) egy C1 alapanyag, amely nagyfokú redukcióval rendelkezik. A metanol szénforrásként való felhasználásának egyik fő előnye a redukáló ereje, amely a mikroorganizmusokban, például a metilotróf élesztőben NADH-t képez és ATP-t termel.Mivel azonban az útvonal első reakciója a metanol formaldehiddé oxidációja oxigénnel mint elektronakceptorral, az élesztő minden egyes felvett metanoladag után egy NADH-t veszít.A közelmúltban végzett vizsgálatok kimutatták, hogy a Komagataella phaffii képes volt a metanol hatékonyabb hasznosítására azáltal, hogy az endogén metanol-dehidrogenázt (Adh2) túlexprimálta egy alkoholoxidáz-hiányos törzsben (Mut-), ami további NADH és ATP termelését eredményezte metanoladagonként. ez lehetővé tette a Mut-Adh2 törzs számára, hogy alacsony oxigénfogyasztás és hőkibocsátás mellett növelje a heterológ fehérjék termelésének intenzitását.
Egy másik ígéretes szénforrás a CO2, amely egy erősen oxidált vegyület (γ=0), amelyet az autotrófok redukálni tudnak, hogy szerves vegyületeket állítsanak elő a bioszintézishez. Ezért az élesztő anyagcseréjébe a CO2 bevezetésének egyik módja a ko-szubsztrát átalakítás, amely a CO2-t egy másik szénforrással együtt egy olyan termékké alakítja át, amelynek redukciós foka alacsonyabb, mint a ko-szubsztráté. A glükóznál alacsonyabb γ-vel rendelkező szerves savak, például a citrom-, malein- és borostyánkősav bioszintézisében ez a stratégia lehetővé teszi a CO2 beépítését az ipari fermentációs folyamatokba a szénhozam növelése érdekében.

2. Hogyan lehet kiegyensúlyozni a termékcsökkentés mértékét? A mikroorganizmusok anyagcsere-folyamatainak fejlődése általában a sejtek gyors növekedésén alapul, nem pedig konkrét termékek előállításán. Ezért a sejt a gyors anyagcserét részesíti előnyben a magas szén-dioxid-kihozatalsal szemben. Ezért a sejteknek az anyagcsere során a szénmegmaradás javítására való képessége az egyik legnagyobb kihívás az anyagcseretervezésben, ami megakadályozza, hogy a mikrobiális gyárak nagy hozamú vegyipari termelést érjenek el. Ez a dolgozat az élesztők anyagcsere-mérnöki tervezését tárgyalja, amelynek célja a szénmegőrzés maximalizálása, beleértve a CO2-fixálást, valamint a nem esszenciális dekarboxilációs lépések elkerülése a sejtben. 2.1 A szervetlen szén integrálása a sejtanyagcserébe CO2-t mint szubsztrátot használva Különböző útvonalak léteznek: a CO2-molekula karboxilálással szerves vegyületeket képez; a CO2 redukcióval hangyasavvá vagy CO-vá alakul, amely a biomasszába asszimilálható. A karboxilációs reakciókat karboxilázok katalizálják. mint például a RuBisCO az autotróf CO2-fixálási útvonal CBB-ciklusában, vagy az útvonal Pck és Pyc enzimei, amelyek a központi metabolikus prekurzorok biztosításában vesznek részt. a szén redukciós elv szerint a CO2-t a formiát-dehidrogenáz vagy a CO-dehidrogenáz redukálja hangyasavvá vagy CO-vá, mint a redukált acetilkoenzim A útvonalban.2.1.1 Heterológ CBBase enzimek expressziója CO2-fixáláshoz élesztőbenEthanoltermelés S. cerevisiae-ben A S. cerevisiae etanoltermelésében Guadalupe-Medina és munkatársai [2] a CO2-t mint elektronakceptort használták a felesleges redukáló energia hasznosítására, azaz, a CO2-nak a PPP-útvonal köztes metabolitjává, Ru5P-vé történő átalakítását a CBB-ciklus RuBisCO és Prk enzimjei által, ami az etanoltermelés 10% növekedését és a melléktermékként keletkező glicerin termelésének 90% csökkenését eredményezte.Xia és munkatársai [3 ] redox egyensúlyhiányt találtak az anaerob fermentáció során, amikor xilózt használtak szubsztrátként az etanoltermeléshez. Az RrRuBisCO és a SoPRK expressziója lehetővé tette a piruvátdekarboxilációból származó CO2 újrafelhasználását, és csökkentette a melléktermékek xilit és glicerin hozamát.Gassler és munkatársai [4] egy működő CBB-ciklust konstruáltak a metilotróf K. phaffii élesztőben, amely a metanolon keresztül energiát és redukáló erőt biztosít, és CO2-t szénforrásként használva tejsavat és malonátot termel.2.1.2 Redukciós glicin útvonal
A reduktív glicin útvonalat tartják a hangyasav felhasználásával történő aerob növekedés leghatékonyabb útvonalának.A pro-glicin útvonal összes enzimje jelen van az S. cerevisiae-ben, de a hangyasavat nem tudja szubsztrátként felhasználni a növekedéshez. Az endogén útvonal enzimeinek túlterjedése a redukált glicin útvonal funkcionális expresszióját eredményezte, amely lehetővé teszi a glicin szintézisét hangyasavból és CO2-ból mint ko-szubsztrátból a glicinhiányos törzsek növekedésének fenntartásához. Az útvonal magas CO2-koncentrációtól függ (10%). Nemrégiben azonosítottak egy természetes oxigénrezisztens redukált glicin útvonalat a K. phaffii-ban, azonban ennek az útvonalnak a természetes aktivitása nem elegendő a sejtnövekedés fenntartásához.
2.1.3 A TCA-ciklus csökkentett ága (rTCA)
A redukált TCA-ciklus (rTCA) a prokariótákban található CO2-fixálási útvonal. Az rTCA az oxidált TCA-ciklus fordított folyamata, és két CO2-molekula megkötésével egy acetilkoenzim-A-molekulát képez. A teljes fordított TCA-ciklust eddig nem sikerült megvalósítani élesztőben. Részleges rTCA-t valósítottak meg Saccharomyces cerevisiae-ben, hogy borostyánkősavat és almasavat állítsanak elő. yan és munkatársai [5] a Pyc2 és rTCA ciklus első három enzimjét, az Mdh3R, EcFumC és FrdS1 enzimeket kódoló géneket Pdc és Fum1 hiányos törzsekben túlterjeszkedtek, ami akár 13 g/L borostyánkősavhozamot is eredményezett, 0.21 mol/mol. malubhoy és munkatársai [ 5] az rTCA-ciklus útvonalán keresztül 35 g/L butándionsavat szintetizáltak 0,63 mol/mol glicerinhozam mellett, miközben a folyamat nettó CO2-fixálást is elért.
2.2 A felesleges dekarboxilálás elkerülése
A biológiai dekarboxiláció elsősorban olyan katabolikus útvonalakban fordul elő, mint a glikolízis, a PPP és a TCA-ciklus, ahol a reakció CO2-t szabadít fel, és gyakran kapcsolódik oxidációhoz a NADH és a NADPH regenerálása érdekében. a dekarboxiláció végtermék-előanyag-metabolit útvonalakban is előfordul, ahol az útvonalban a dekarboxilációs reakciók mindegyike csökkenti a szénhozamot a szubsztrátról a termékre. Például az acetilkoenzim-A, a piruvát dekarboxilációs reakciója során keletkező metabolit 33% szénveszteséget eredményez CO2 formájában, ami csökkenti az acetilkoenzim-A-t prekurzorként tartalmazó bármely folyamat elméleti termékhozamát. Ilyen például a TCA-ciklus, a zsírsav- és aminosav-bioszintézis. Ezért az acetilkoenzim-A szintézis szénveszteségének leküzdése érdekében a kutatók új szénmegőrző útvonalak kialakításával kerülték el a felesleges dekarboxilációs lépést: Hellgren és munkatársai [6] a nem oxidatív glikolízis útvonalán (NOG) alapuló ciklikus szénmegőrző útvonalat (GATHCYC) konstruáltak, amely egy molekula fruktóz-6-foszfátból (F6P) három molekula acetilkoenzim-A-t állít elő, és az útvonal nem veszít szenet. Ennek az útvonalnak a használata a 3-hidroxipropionsav-termelés 109% növekedését eredményezte. A GATHCYC útvonal bevezetése egy n-butanol-termelő törzsbe az n-butanol-termelés 1,75 g/l-re való növekedését és a CO2-kibocsátás 35,2% csökkenését eredményezte.

3. Példaként a szukcininsav előállítása
A redoxi egyensúly és a szénmegkötés mellett a termodinamikai megvalósíthatóság és az energiaegyensúly is kulcsfontosságú tényező az optimális anyagcsere-utak kialakításában. A termodinamikai megvalósíthatóság a Gibbs-féle szabad energiaváltozásra (ΔrG'm) utal fiziológiailag releváns standard körülmények között, és meghatározza, hogy egy anyagcsereút megvalósítható-e vagy sem. A sejtenergiát is egyensúlyban kell tartani, hogy a célvegyületből több termelődjön, mivel az energiaigényes termékek az energiaszükséglet kielégítése érdekében szubsztrát-szénveszteséghez, míg az oxidált termékek energiafelesleghez és esetleg hőleadáshoz vezetnek. A szukcininsav (SA) a TCA-ciklus köztes anyagcsereterméke. Ebben a szakaszban az SA előállításának különböző stratégiáira összpontosítunk, és különböző természetes és mesterséges SA-szintézis útvonalak esetében értékeljük az ATP-sztöchiometriát, a redox egyensúlyt, a CO2 megkötést, a termodinamikai megvalósíthatóságot és a szénmegőrzést. A borostyánkősav három szintetikus útvonala létezik: az oxidatív TCA-ciklus (oTCA), a redukált TCA-ciklus (rTCA) és a glikoxalát-útvonal (GS). Az oTCA-ciklus elméleti maximális hozama alacsonyabb, de a borostyánkősav aerob körülmények között történő előállításának előnye, hogy kevés melléktermék keletkezik, és kedvezőbbek a termodinamikai metabolikus tulajdonságai. A gS egy alternatív módszer a borostyánkősav előállítására, amely megkerüli az izocitromsav és a butil-diilkoenzim A közötti két dekarboxilációs lépést, hogy megakadályozza a szénveszteséget és további NADH-t biztosítson. Az rTCA megköti a CO2-t és kétszer olyan hatékony, mint az oTCA útvonal. Fontos megjegyezni, hogy a hozamráta (YP) egy helyi paraméter, amely csak az útvonal nettó sztöchiometriáját veszi figyelembe, és nem veszi figyelembe a NAD(P)H regeneráció vagy az ATP-termelés során fellépő szénveszteséget. A maximális elméleti hozam (YE) azonban egy globális paraméter, amely figyelembe veszi az elektronegyensúlyt, és ezért a NAD(P)H regenerációját is. Ezért egyes esetekben az YP magasabb lehet, mint az YE. Az SA rTCA-ciklusban történő szintézisét főként bendőbaktériumok végzik anaerob körülmények között. Ezzel szemben az élesztők számára az rTCA-ciklus termodinamikailag kedvezőtlen, és a sejtek NADH-ellátásának elégtelenségét eredményezi. A következő ábra az oTCA-cikluson vagy az rTCA-cikluson keresztül történő SA-szintézis Gibbs-féle szabad energiájának változását hasonlítja össze különböző szénforrásokkal. Ez magában foglalja a glükózt, a glicerint, a xilózt a részleges CBB-cikluson keresztül, a hangyasav vagy metanol asszimilációját a redukált glicin útvonalon keresztül és a metanol asszimilációját a xiloglükán-foszfát útvonalon keresztül. 2. ábra. A borostyánkősav előállítása a TCA-ciklus oxidatív vagy reduktív ágának segítségével.
Az élesztőnek az a képessége, hogy alacsonyabb pH-t is képes elviselni, és ezáltal csökkenti az SA előállításának költségeit a feldolgozási folyamat során, széles körű figyelmet keltett az SA élesztővel történő előállítása, különösen az rTCA-ciklus, amely képes a CO2 megkötésére. Bár az SA szintézise glükózból a glikolízis és az rTCA-ciklus útján 1 mol CO2/mol SA-t képes megkötni, az útvonal nem redox-kiegyensúlyozott, és további 1 mol NADH-ra van szükség minden egyes 1 mol előállított SA-hoz.Vonzó alternatíva a glicerin szénforrásként való felhasználása, amely az rTCA útvonalon keresztül 1 mol CO2/mol SA-t képes megkötni, lehetővé téve az oxidatív redukcióval kiegyensúlyozott SA-termelést. A glicerin + CO2 kombinációja esetén a γ = 3,5 teljes redukció megegyezik az SA redukciójával. Malubhoy és munkatársai [5] 0,6 g/g glicerin hozamot értek el CO2 rögzítésével, ami az elméleti maximum 47,1%-je.
A redoxi egyensúly elérésének másik módja a glükóz és a CO2 együttes szubsztrátként való felhasználása. Ha a glikolízist, a GATHCYC-t és a részleges TCA-ciklust egyszerre használjuk, elméletileg elérhető a redoxi egyensúly, amikor 1 mol SA 0,5 mol CO2-t köt meg. 1 mol SA azonban 0,33 mol ATP fogyasztását igényli, a regenerált ATP árán, pl. a glükóz egy részének légzésével. ezért ezt a forgatókönyvet legalább enyhén aerob körülmények között kell végrehajtani, ami egy újabb költségtényezőt ad a folyamathoz.
3. ábra A butándionsav redox-semleges előállítása a glikolízis, a GATHCYC, a részleges TCA-ciklus és a glioxilát útvonal kombinációjával 1. táblázat A természetes és mesterséges SA-szintézis útvonalainak összehasonlítása az élesztőből.

hol vásárolhatok táplálkozási élesztő？

Ha szüksége van az Élesztő árára, kérjük, töltse ki elérhetőségét az alábbi űrlapon, általában 24 órán belül felvesszük Önnel a kapcsolatot. Ön is küldhet nekem e-mailt info@longchangchemical.com munkaidőben ( 8:30-18:00 UTC+8 H.-Szombat ) vagy használja a weboldal élő chatjét, hogy azonnali választ kapjon.