有机酸对Clostridium acetobutylicum合成丁醇的影响规律及其机制研究

生物丁醇是一种极具潜力的新型生物燃料，得到了全世界广泛的关注。但是，发酵法生产丁醇一直无法与化学法相竞争，制约其发展的根本原因是丁醇的生产能力较低。研究表明在发酵培养基中添加适量的乙酸、丁酸等有机酸可显著促进产溶剂梭菌合成丁醇的能力，但其影响规律及其作用机制目前仍缺乏深入研究。本研究拟通过对不同条件下添加有机酸（乙酸、丁酸等）对丙酮丁醇梭菌发酵动力学参数的影响，探讨不同有机酸与丁醇合成的相关性及其影响规律；结合发酵过程参数分析，通过采用GC-MS分析技术观察带有[1,2,3-13C3]标记的外源添加的有机酸在丁醇合成过程中的去向及研究有机酸影响下丙酮丁醇梭菌胞内代谢体系所产生的应答响应，包括酶活的变化、关键酶编码基因在转录水平表达差异和蛋白质组的差异，揭示有机酸对丙酮丁醇梭菌合成丁醇的影响机制，为丁醇合成的代谢工程设计及发酵工艺优化提高丁醇产率奠定理论基础。

丁醇发酵过程中添加适量的乙酸、丁酸等有机酸可促进产溶剂梭菌合成丁醇的能力，但其影响规律及其作用机制目前仍缺乏深入研究。本项目通过考察不同条件下添加有机酸对丙酮丁醇梭菌发酵动力学参数的影响及胞内代谢体系所产生的应答响应，探讨有机酸对丙酮丁醇梭菌合成丁醇的影响规律及作用机制。研究表明添加一定浓度的有机酸（乙酸和丁酸）可显著促进菌体的生长及溶剂的合成，相比之下，添加丁酸的促进作用强于添加乙酸的促进作用。动力学分析研究发现添加有机酸后不同pH条件下产物的合成代谢有所不同，发酵pH越高，越有利于有机酸的合成，反之，则越有利于溶剂的合成。在此基础上对代谢途径中关键酶活性及基因转录水平表达进行了分析，结果表明添加丁酸后辅酶A转移酶、乙酸激酶和丁酸激酶酶活性显著高于未添加丁酸对照组，特别是在发酵早期及生长稳定期；与酶活结果相一致，乙酸激酶编码基因ask、丁酸激酶编码基因buk和辅酶A转移酶编码基因ctfAB在添加丁酸的发酵过程中其转录水平都明显提高，尤其是辅酶A转移酶编码基因ctfAB的转录水平提高显著，说明添加有机酸可增强Clostridium acetobutylicum发酵强度，激活催化有机酸（乙酸、丁酸）吸收的辅酶A转移酶，这可能是导致添加有机酸后丁醇产量提高的重要原因。