果糖和麥芽糖作為有氧碳源對大腸桿菌NZN111兩階段發酵中厭氧發酵的影響

吳輝，李志敏，葉勤

華東理工大學 生物反應器工程國家重點實驗室，上海 200237

大腸桿菌NZN111是大腸桿菌W1485的丙酮酸甲酸裂解酶 (PFL) 和乳酸脫氫酶 (LDH) 雙突變株。文獻報道即使在復合培養基中添加了乙酸鹽它也不能在厭氧條件下代謝葡萄糖進行生長[1-2]，普遍認為這是由于NZN111缺失了消耗NADH的乳酸脫氫酶以及為乙醇合成提供前體乙酰輔酶A (Ac-CoA)的丙酮酸甲酸裂解酶，整個厭氧代謝的氧化還原系統平衡遭到破壞，細胞不能夠有效氧化葡萄糖經糖酵解 (EMP) 途徑產生的 NADH，導致了胞內不尋常高的 NADH/NAD+比例，從而導致代謝的停滯。NZN111表達LDH改善了NADH消耗，NAD的生成使EMP途徑能夠運行[3]。然而NZN111能夠以甘露糖、乳糖、果糖和海藻糖等與葡萄糖相同氧原狀態的糖進行厭氧生長，NZN111的代謝途徑 (見圖 1) 中仍然存在其他一些能夠消耗 NADH產生NAD+的酶，如富馬酸還原酶 (FR)、蘋果酸脫氫酶(MDH) 以及蘋果酸酶 (ME) 等，NZN111本應該具有通過三羧酸 (TCA) 循環還原段來調節氧化還原平衡的能力。由此可以看出 NZN111不能代謝葡萄糖的主要原因可能是葡萄糖代謝調控產生的酶系統中補給途徑和NADH消耗途徑活性不夠導致的。

圖1 大腸桿菌葡萄糖厭氧發酵途徑Fig. 1 Metabolic pathways in E. coli strain NZN111 under anaerobic condition. Not all the enzyme catalyzed steps and intermediates are shown. PTS: phosphotransferase transport system; PPC: PEP carboxylase; PCK: PEP carboxykinase; PK: pyruvate kinase; PPS: PEP synthetase; PDHc: pyruvate dehydrogenase complex; PTA: phosphoacetyltransferase; ACK: acetate kinase; ICL: isocitrate lyase; MS: malate synthase; MDH: malate dehydrogenase; ME: malic enzyme; FUM: fumarase; SDH: succinate dehydrogenase; and FRD: fumarate reductase. × indicates inactivated reactions. Dashed line indicates the enzyme activity formed in aerobic culture.

葡萄糖對胞內 cAMP和 cAMP的受體蛋白質(Cyclic AMP receptor protein，CRP) 水平具有調節作用，分解代謝物敏感操縱子 (Catabolite-sensitive operons) 的轉錄受到 CRP和 cAMP結合產物cAMP-CRP的調節，cAMP-CRP與這些基因啟動子上游特定保守序列結合，激活這些操縱子的轉錄[4]，而葡萄糖通過對胞內的腺苷酸環化酶 (Adenylate cyclase，AC) 活性[5]和crp轉錄表達的調控[6]來控制cAMP和CRP的濃度，從而達到對分解代謝敏感操縱子代謝阻遏作用。……