Luedeking-Piret丁酸盐生产的相关方法增强Crabtree-positive-like细菌财团种植在恒化器gydF4y2Ba

文摘gydF4y2Ba

Luedeking-Piret模型的分析氧化呼吸respirofermentative过渡期间的财团在恒化器显示显著增加一个参数(β)丁酸Luedeking-Piret模型的生产。这些数据暗示的可能性,改善细胞代谢产物的生产能力在某些文化条件。此外,参数β呈正相关,稀释率高于临界稀释率,表明潜在的提高工业过程生产使用原核生物。gydF4y2Ba

关键字gydF4y2Ba

Luedeking-Piret模型,Respirofermentative过渡,细菌财团,次生代谢物gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

Luedeking-Piret是一个经验关系广泛用于评估特定生产的一些代谢产物在培养细胞或其他产品。它最初是在1959年开发乳酸生产批处理和连续的文化;接下来是应用于许多其他类型的生产,原核生物和真核生物。gydF4y2Ba

另一方面,在自然或半自然环境中,绝大多数的微生物(尤其是细菌)住在聚合物,生物膜或棉絮。gydF4y2Ba

在这项工作中,我们几个有趣的有絮状物培养(稳定性、广泛的代谢特性等)的生产丁酸;我们表明,在一定条件下,Luedeking-Piret模型的参数不再是常数,可以用来增加文化的表现。gydF4y2Ba

在最近的一项研究[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba),我们展示了如何具体解释域允许我们突出的变化是多种多样的(正面或负面)经验Luedeking-Piret模型的参数gydF4y2Ba

(1)gydF4y2Ba

B是一个产品,X是总生物量和α,β是经验参数。该模型成功地占产量的B细胞培养X。gydF4y2Ba

一般来说,这两个参数是常量和文化的特点。gydF4y2Ba

在这个工作中,α或β被证明可能取决于外部条件(如恒化器稀释率,例如)。gydF4y2Ba

材料和方法gydF4y2Ba

材料和方法都进行了广泛的描述在裁判。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba和裁判。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。我们只提到一些有用的信息。gydF4y2Ba

活性污泥样品中收获一个活性污泥污水处理厂(Erasme大学医学中心、布鲁塞尔)和培养合成污水饲料(SSF) [gydF4y2Ba4gydF4y2Ba富含0.5%葡萄糖(wt /卷)。生物反应器壁定期彻底清洗防止生物膜的生长。gydF4y2Ba

细菌絮凝形成财团开发了在连续多年来文化和稳定。出乎意料地,它能够表现出Crabtree-like效应。gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba描述了主要部件(生物质衬底和乳酸)生产的恒化器;这些组件匹配特征的瑰柏翠的效果(类似于观察酿酒酵母,例如)。一个临界值DgydF4y2Ba_cgydF4y2Bah = 0.25gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba呼吸特征转变。然而,乳酸作为D函数的变化是复杂的,需要一个复杂的数学模型来解释这一现象(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。(模型是超出了本文的范围。)gydF4y2Ba

图2gydF4y2Ba显示了一个非常简单的曲线,表明丁酸浓度的变化与d与剖面观察乳酸,丁酸曲线是连续的,没有观察到临界值时氧化respirofermentative过渡。这种行为需要特殊的细胞生产品质检查。gydF4y2Ba

模型:研究人员最近旨在理解丁酸盐的生产和新陈代谢,对工业的原因(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba7gydF4y2Ba在肠道生理(),因为它的作用gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

一直说,该财团在本研究栽培收获从市政污水处理厂污泥;因此不足为奇发现肠道厌氧菌产生丁酸发酵产品(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。该财团包含至少11细菌物种,包括好氧、厌氧和混合细菌。聚合酶链反应(PCR)分析表明,只存在于细菌遗传物质文化。具体butyrate-producing物种尚未确定;但是,为了简单起见,以下两个假设采用:gydF4y2Ba

1。单个细菌物种(或一个组别)产生丁酸。gydF4y2Ba

2。butyrate-producing和non-producing物种之间的竞争是足够低到可以忽略作为第一近似。我们有另外表明厌氧物种在絮状物是相对独立的gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

现在,考虑一个恒化器和三个状态变量:X,总生物量;B,代谢产物;和C, b细胞产生代谢产物这三个变量可以由微分方程组表示,根据质量平衡gydF4y2Ba

(2)gydF4y2Ba

在μgydF4y2Ba_XgydF4y2Ba是生物质能的比生长速率。gydF4y2Ba

(3)gydF4y2Ba

和μgydF4y2Ba_CgydF4y2Ba是生产细胞的比生长速率。gydF4y2Ba

B的隐式产品质量平衡gydF4y2Ba

(4)gydF4y2Ba

在ΠgydF4y2Ba_BgydF4y2Ba由C B的产量。gydF4y2Ba

在重要的稳定状态(非零变量),gydF4y2Ba,这意味着所有特定细胞的稳态增长率等于d . (4)gydF4y2Ba

(5)gydF4y2Ba

或gydF4y2Ba

(5 b)gydF4y2Ba

结果gydF4y2Ba

将军。乳酸生产。gydF4y2Ba

我们使用的结果描述的一般两条途径模型广泛(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)解释结果中出现gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。令人惊讶的是,相同的模型也适用于解释瑰柏翠的效果gydF4y2Ba酿酒酵母gydF4y2Ba(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。全面发展的计算有点长,可能不是为丁酸盐生产提供重要信息。gydF4y2Ba

简而言之,该模型使用了两个运输/代谢途径(T / M)解释瑰柏翠的效果。gydF4y2Ba

高亲和力(h)是由T /米gydF4y2Ba和低(l)亲和力T / M表示为gydF4y2Ba

一个简化的形式是:S代表了衬底;P产品(乳酸);问gydF4y2Ba_zgydF4y2Ba是z的具体产量;KgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}底物的亲和力;VgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}是最大T / M传输速率;X是生物量。gydF4y2Ba

产品的质量浓度P是可计算的gydF4y2Ba问在哪里gydF4y2Ba_pgydF4y2Ba= ggydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}(vgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba),(1-β)。qgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}(1);β是一个常数相关产品排泄;ggydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}(vgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba)是一个常数不同的转换的化学计量学衬底的产品:gydF4y2Ba社保基金是一个复杂的基质,它是必要的表达在葡萄糖当量。gydF4y2Ba

上述推理显然表明,乳酸的生产是复杂的,主要取决于T / M分支的一部分在低底物的亲和力gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

b)丁酸产量。gydF4y2Ba

出现生产丁酸,相反,更容易表示。gydF4y2Ba

通过检查gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba,这是假定ΠgydF4y2Ba_BgydF4y2Ba=常数可以适合函数B = f (D)。这个配件是有效地接受和收益率ΠgydF4y2Ba_BgydF4y2Ba= 0.012±0.001 g / L (h);rgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba= 0.93。gydF4y2Ba

这个假设被证实用方程5和实验值(gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

Π平均值gydF4y2Ba_BgydF4y2Ba= 0.016±0.001 g / (L.h)。这个财团的丁酸产量是一个常数,大约0.015 g / (L.h)。gydF4y2Ba

因此,Luedeking-Piret模型(方程1),可以写成gydF4y2Ba

(7)gydF4y2Ba

在丁酸盐的情况下,,gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]gydF4y2Ba

(8)gydF4y2Ba

这通常是规则发酵最终产品,这是经常丁酸可能如何看待。的一个副产品gydF4y2Ba12gydF4y2Ba),αgydF4y2Ba_BgydF4y2Ba= 0 (gydF4y2Ba13gydF4y2Ba)和方程(8)绝对是验证。(此外,丁酸盐也可能形成各种副产品的构建块(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba16gydF4y2Ba),可以改善的有效性(8))。gydF4y2Ba

在方程(7)中使用方程(8),并假设B =gydF4y2Ba但gydF4y2Ba,可以计算gydF4y2Ba

(9)gydF4y2Ba

相当于具体产量丁酸(hgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

这种关系被描述gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

两个地区明显出现。respirofermentative临界值以下,βgydF4y2Ba_但gydF4y2Ba是一个常数等于0.023±0.001 h;然而,高于临界值,βgydF4y2Ba_但gydF4y2Ba不再是常数和线性依赖于D:gydF4y2Ba

(10)gydF4y2Ba

与gydF4y2Ba-0.086±0.014 hgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba和一个= 0.480±0.003 (rgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba= 0.99)。gydF4y2Ba

附近的冲刷(D≈0.6 hgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba)βgydF4y2Ba_但gydF4y2Ba接近0.2 hgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba,10倍纯氧化呼吸模式。gydF4y2Ba

讨论gydF4y2Ba

这项工作透露具体丁酸产量的增加,这是非常重要的工业或商业应用的代谢物(以及其他)。丁酸是很容易转换成丁醇。面临的挑战是更大的在考虑过程的生物燃料方面将丁醇。Ramey和阳[7]详细描述这一转变的挑战在美国能源部的最终报告。我们的方法不需要厌氧条件或不育的生产丁酸的商业计划并打开新的有趣的经济观点,而我们从污水处理厂产生中间…而不是玉米!gydF4y2Ba

这里描述的示例中,使用一个单一的恒化器不提供理想的条件(低产,可怜的选择性和底物溢出)。因此,利用我们的研究的结果,需要一个适当的生物反应器。只是说明,Du et al。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)描述一个连续的文化利用部分细胞再循环表现出选择性和生产力约1.13克/ (L.h)。他们用一个纯菌株和工作在低稀释率。此外,他们没有采取预防措施来确保(Eq。8)很满意(例如,通过抑制细胞生长速率)。我们的技术提供了一个合适的方式提高生产丁酸。然而,我们相信,我们的工作也揭示了一个新颖的方法提高次生代谢物生产有利的生长条件下利用代谢工程。gydF4y2Ba

最后一个评论,我们想强调的是,所述财团的絮体。细菌是嵌入在小“鼻涕”结构(胞外聚合物物质或每股收益;(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]。絮体悬浮在矩阵阶段的恒化器。这种情况是不同的培养基组分(固体培养基或在形成生物膜)。与财团形成独立的细胞放在一起(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba),细菌絮状物不构成任何动态稳定性问题遇到单个细胞(gydF4y2Ba19gydF4y2Ba,gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]。此外,絮体的涌现性有时大的孤立的细胞。在这里,我们看到,11个物种的同步增长,达到冲刷h -值接近0.8,这是一个高价值的厌氧细菌。如前所述(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba),协调发展的絮状物不容易看到。这种现象值得研究,允许构建特定絮体用于特定化合物的生产。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba

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