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微生物如何产生和利用它们的能量来生长

细胞如何产生和使用能量?这个问题看似简单,但答案远非简单。此外,了解微生物细胞工厂如何消耗能量以及如何分配蛋白质,这对于工业发酵工作至关重要。

现在,研究人员已经证明,通过优化发酵条件,可以引起大肠杆菌和面包酵母从发酵到呼吸的代谢转变。这种转变意味着可以推动细胞产生更多的内部能量(ATP)。

“这些信息可用于设计新的,改进的细胞工厂,”瑞典查尔姆斯理工大学的对应作者,以及丹麦DTU的Novo Nordisk基金会生物可持续性研究中心的科学主任Jens Nielsen说。

与来自Chalmers生物学和生物工程系的第一作者Postdoc Yu Chen一起,Jens Nielsen通过使用数学模型和生物实验研究了大肠杆菌和面包酵母的代谢。该研究现已发表在美国国家科学院院刊(PNAS)上。

细胞不断从糖葡萄糖中产生称为ATP的高能分子。ATP是细胞内工人消耗的细胞“食物”。酶利用这种能量来建立生物质或进行其他细胞工作。可用的ATP越多,微生物工作马匹在发酵过程中表现越好;至少在原则上 - 许多其他方面也起作用。

使用计算方法,研究人员发现ATP可以通过两种途径中的任何一种产生:高产呼吸途径,每个葡萄糖分子产生23.5个ATP或低产量的发酵途径,每个葡萄糖分子仅产生11个ATP。

这两种途径相互补充,但研究人员能够通过改变发酵条件和可获得的糖和蛋白质的量来改变两者之间的自然平衡。此外,他们表明,高产途径需要比低产量途径更多的蛋白质质量,以相同的速率消耗葡萄糖。

他们还表明,使一些关键酶表现更好意味着细胞从低产量的发酵代谢转变为通过高产呼吸代谢呼吸。

这种转变既可以产生更多的细胞内ATP,又可以避免发酵副产物的积聚;大肠杆菌中的乙酸盐和面包酵母中的乙醇。

“这些副产品是不需要的,会降低您想要在细胞工厂生产的所需分子的产量,”Jens Nielsen说。

此外,研究人员表明,表现最佳的细胞实际上使用了这两种途径,不仅是高产的细胞,而且可用的蛋白质越多意味着在给定途径中效率越高。

因此,在发酵过程中更好地发挥细胞的解决方案不是关闭发酵途径,而是将更多蛋白质分配给高产途径。

研究人员将微生物暴露在不同的发酵条件下,并没有进行基因组工程来唤起这些变化。但与此同时,他们的研究表明人们如何通过基因组工程改变细胞的代谢,从而在未来的实验中变得更有效。

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