探索微生物代谢中的ATP波动及其对生物生产的影响

留学申请微信咨询

微信扫描左侧二维码

或点击下方按钮咨询

探索微生物代谢中的ATP波动及其对生物生产的影响

2024年7月1日，华盛顿大学（2024USNews美国大学排名：40）圣路易斯分校的工程师们在微生物代谢研究中取得了重要进展。他们通过研究细胞能量波动，特别是ATP（腺苷三磷酸）在不同碳源条件下的变化，揭示了如何通过优化碳源来提高生物生产效率。这一研究不仅为生物制造系统提供了新的优化策略，还为未来的生物技术应用奠定了基础。

ATP波动对微生物代谢的影响

ATP是细胞内的主要能量货币，驱动着几乎所有的生物过程。然而，ATP在微生物中的浓度并不是恒定的，而是会随着环境条件和代谢状态的变化而波动。华盛顿大学圣路易斯分校的研究人员通过开发ATP生物传感器，能够实时监测微生物细胞内的ATP水平。这一技术使得他们能够详细研究ATP波动如何影响微生物的生长、营养吸收以及代谢产物的生成。

研究结果表明，ATP水平的波动与微生物的生长阶段密切相关。在指数生长期，微生物的ATP水平通常较高，而在静止期则显著下降。这一发现对于理解微生物代谢的动态变化具有重要意义。通过补充促进ATP生成的碳源，研究人员发现可以显著提高微生物的生物生产效率。例如，乙酸盐作为大肠杆菌的优选碳源，能够显著提高其ATP水平和脂肪酸的生产。同样，油酸盐对假单胞菌的ATP水平和聚羟基烷酸酯（PHA）生产也有显著促进作用。

碳源在ATP生产中的角色

碳源是微生物生长和代谢的基础，不同的碳源会对微生物的ATP生产产生不同的影响。华盛顿大学圣路易斯分校的研究团队通过ATP生物传感器，详细研究了不同碳源对微生物ATP水平的影响。他们发现，乙酸盐和油酸盐是分别对大肠杆菌和假单胞菌最有效的碳源。

在大肠杆菌中，乙酸盐能够显著提高ATP水平，这与传统观点相悖。传统上，葡萄糖被认为是大肠杆菌的最佳碳源，但研究表明，乙酸盐在指数生长期的ATP水平高于葡萄糖。这一发现为优化大肠杆菌的生物生产提供了新的思路。同样，油酸盐对假单胞菌的ATP水平和PHA生产也有显著促进作用。这些发现不仅揭示了碳源在ATP生产中的关键角色，还为选择最优碳源以提高生物生产效率提供了科学依据。

ATP生物传感器在代谢研究中的应用

ATP生物传感器是一种强大的工具，能够实时监测细胞内的ATP水平，为研究微生物代谢提供了新的视角。2020年8月21日，田纳西大学、橡树岭国家实验室和宾夕法尼亚州立大学的研究人员在《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》期刊上发表了一篇题为《Development of a Genome-Scale Metabolic Model of Clostridium thermocellum and Its Applications for Integration of Multi-Omics Datasets and Computational Strain Design》的研究文章。他们开发了一种基于基因组尺度的代谢模型，用于研究厌氧嗜热菌Clostridium thermocellum的代谢机制，并应用于多组学数据整合和计算菌株设计。

这一研究展示了ATP生物传感器在代谢研究中的广泛应用。通过实时监测ATP水平，研究人员能够识别代谢瓶颈，优化代谢途径，提高生物生产效率。例如，研究团队通过多组学数据整合和代谢通量分析，揭示了C. thermocellum在乙醇生产中的氧化还原瓶颈，并通过基因工程改造，设计了高效生产醇类和酯类化合物的模块化生产菌株。

大肠杆菌和假单胞菌碳源偏好的比较

不同微生物对碳源的偏好各不相同，这一差异对生物生产具有重要影响。2020年1月21日，《生物工程与生物技术前沿》期刊发表了一篇题为《通过工程化枯草芽孢杆菌从木糖生产γ-PGA的异构酶和Weimberg途径比较》的研究文章。研究发现，枯草芽孢杆菌天然通过异构酶途径代谢木糖，而Weimberg途径则提供了一种碳效率更高的替代方案。

这一研究为理解不同微生物的碳源偏好提供了新的视角。大肠杆菌和假单胞菌在碳源选择上也表现出显著差异。大肠杆菌更偏好乙酸盐，而假单胞菌则更偏好油酸盐。这一发现为优化不同微生物的生物生产提供了科学依据。例如，通过选择最优碳源，可以显著提高大肠杆菌和假单胞菌的ATP水平和代谢产物的生产效率。