甘油生物轉(zhuǎn)化為1，3-丙二醇過(guò)程的代謝通量分析與動(dòng)態(tài)模擬.pdf

1、生物煉制或白色生物技術(shù)近幾年受石油價(jià)格不斷攀升的影響而越發(fā)受到人們的關(guān)注，作為可再生的石油替代品，生物柴油的產(chǎn)量近兩年增長(zhǎng)迅猛。而生物柴油副產(chǎn)10％的甘油，以甘油為原料生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品成為生物柴油行業(yè)的迫切愿望，其中用生物法將甘油轉(zhuǎn)化為1，3-丙二醇是最受人們關(guān)注的方法之一。本文對(duì)克雷伯氏桿菌轉(zhuǎn)化甘油為1，3-丙二醇的代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了通量分析，并建立了基于代謝網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)生物轉(zhuǎn)化過(guò)程的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行了模擬，主要研究?jī)?nèi)容如下：

2、 首先，對(duì)簡(jiǎn)化的克雷伯氏桿菌代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了代謝通量平衡分析與優(yōu)化。依據(jù)甘油生物歧化為1，3-丙二醇的簡(jiǎn)化代謝網(wǎng)絡(luò)建立了通量平衡方程，以1，3-丙二醇通量最大為目標(biāo)，通過(guò)線性規(guī)劃對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化分析，得到最優(yōu)代謝通量分布和目標(biāo)產(chǎn)物的最大理論得率，并分析了比生長(zhǎng)速率、氧氣消耗速率、呼吸商對(duì)1，3-丙二醇得率的影響以及各通量對(duì)1，3-丙二醇得率的限制潛能。在此基礎(chǔ)上，利用通量平衡分析方法對(duì)連續(xù)厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行甘油代謝系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)的識(shí)別，發(fā)

3、現(xiàn)其目標(biāo)函數(shù)對(duì)不同操作條件基本保持不變。細(xì)胞生長(zhǎng)通量在目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重系數(shù)最大，是驅(qū)動(dòng)代謝的主要?jiǎng)恿?，其次?，3-丙二醇和2,3-丁二醇通量。通過(guò)對(duì)不同目標(biāo)函數(shù)下得到的通量值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)本目標(biāo)函數(shù)得到的通量值與實(shí)驗(yàn)值最為接近，驗(yàn)證了該目標(biāo)函數(shù)的合理性。 其次，對(duì)擴(kuò)展的克雷伯氏桿菌厭氧發(fā)酵甘油代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了代謝通量分析。利用不同操作條件下的甘油厭氧代謝的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)得到胞內(nèi)代謝通量分布，分析了不同操作條件對(duì)胞內(nèi)通量的影響以

4、及代謝網(wǎng)絡(luò)中的分支點(diǎn)的魯棒性。結(jié)果表明當(dāng)初始甘油濃度低時(shí)，生物量隨著NADH2與NAD+之比的降低而增加，當(dāng)甘油初始濃度高時(shí)二者變化卻相反。胞內(nèi)通量分布表明網(wǎng)絡(luò)中甘油和二羥丙酮節(jié)點(diǎn)對(duì)不同操作條件的變化顯示剛性，而丙酮酸和乙酰輔酶A節(jié)點(diǎn)則顯示柔性，是調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝的關(guān)鍵分支點(diǎn)。另外，在高甘油消耗速率下，乙醇途徑和丙酮酸脫氫酶途徑隨著甘油消耗速率的變化波動(dòng)比較明顯。 再次，對(duì)甘油兼性生物歧化代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了基元通量分析。將氧氣傳感調(diào)控系

5、統(tǒng)加入甘油代謝網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用基元模式分析了厭氧和有氧條件下甘油生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中各途徑的通量分布、靈敏性和1，3-丙二醇的生產(chǎn)潛能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，厭氧條件下，1，3-丙二醇最大理論得率為0.844mol/mol，此時(shí)磷酸戊糖途徑和轉(zhuǎn)氫酶途徑是提供1，3-丙二醇生產(chǎn)所需NADH2的主要途徑。有氧條件下1，3-丙二醇最大理論得率為0.875mol/mol，此時(shí)磷酸戊糖途徑或三羧酸循環(huán)對(duì)提高1，3-丙二醇的得率具有重要作用。另外，分析了不同氧氣水平對(duì)1，

6、3-丙二醇和生物量產(chǎn)率的影響。 最后，對(duì)甘油生物轉(zhuǎn)化為1，3-丙二醇的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了模擬。依據(jù)甘油代謝網(wǎng)絡(luò)，確定了胞內(nèi)代謝的基元模式，在此基礎(chǔ)上建立了宏觀反應(yīng)和微觀代謝的綜合模型。采用經(jīng)典細(xì)胞生長(zhǎng)模型描述各基元宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)時(shí)，根據(jù)實(shí)測(cè)的胞外代謝物流量和生物量情況識(shí)別的動(dòng)力學(xué)模型能夠較好地反映甘油厭氧間歇發(fā)酵的指數(shù)生長(zhǎng)期。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與第一工程原理結(jié)合的基于基元模式的混雜模型既能模擬甘油生物轉(zhuǎn)化為1，3-丙二醇的間歇過(guò)程，又能模