氨基酸干预下脂肪酸酯生物合成脂肽的构效响应机制

以脂肽为代表的生物表面活性剂具有低毒、高效、易降解等优势，利用废弃食用油脂生物合成脂肽可以解决碳源成本过高的问题，但废弃油脂中主要成分脂肪酸酯结构的多样性会导致脂肽产物结构多元化，并影响产物的表面活性。前期研究表明氨基酸的投加能促进脂肽产量和活性的提高。本课题基于色谱、质谱、二维核磁共振技术和稳定同位素示踪技术，研究微生物合成脂肽过程中的脂肪酸酯利用途径和氨基酸作用机制，揭示废弃食用油脂中典型成分脂肪酸酯的不同碳链长短、饱和度以及不同氨基酸种类对脂肽结构和产量的影响；研究脂肽的结构特征与其表面活性的关系，剖析脂肪酸酯与氨基酸合成脂肽的结构影响关键因素，建立氨基酸干预下脂肪酸酯生物合成脂肽的构效响应机制。课题的研究成果为利用废弃食用油脂定向生物合成特定结构与性能的脂肽的技术方法提供理论依据，有利于解决脂肽生产中碳源成本高的问题，对实现废弃食用油脂资源化新途径具有重要的理论意义和现实意义。

微生物合成的脂肽类生物表面活性剂具有低毒、高效、易降解等优势，但其培养基中的碳源成本过高限制了脂肽工业化的生产和应用，利用废弃食用油脂生物合成脂肽可以解决这一问题。本研究以9种食用油脂为碳源生物合成脂肽，采用色谱、质谱和二维核磁技术鉴定产物为Surfactin，采用疏水性的食用油脂为碳源时合成的Surfactin产量普遍高于葡萄糖。大豆油合成的Surfactin的产量达到495 mg/L，较葡萄糖培养提高了约20倍。以食用油脂的主要成分三油酸甘油酯为碳源合成的Surfactin的产量达到257 mg/L，远高于葡萄糖。酸析冻干后得到的粗产物其CMC为0.28 g/L，可使培养液的表面张力降至33.0 mN/m。在此基础上研究氨基酸对B.subtilis ATCC 6633合成脂肽的影响，结果发现在亮氨酸(0.1 g/L)、谷氨酰胺(1 g/L)、精氨酸(1 g/L)和谷氨酸(1 g/L)的干预下，Surfactin产量均有所提高，产物的表面活性发生改变。采用液质联用技术分析氨基酸干预前后Surfactin同系物组成的变化，结果表明0.1 g/L 亮氨酸干预下，Surfactin的C14同系物的含量略有降低；1 g/L 精氨酸干预下，C13同系物的含量有所增加，C15同系物的含量相应减少。采用稳定同位素技术研究微生物对脂肪酸酯和氨基酸的利用途径，结果表明微生物优先利用三油酸甘油酯水解后生成的甘油，使其对油酸的代谢能力明显提高，菌体内约30%的氮素来源于氨基酸，表明谷氨酸干预下对微生物碳、氮源利用途径产生显著影响。异柠檬酸脱氢酶作为TCA循环的限速酶，是微生物合成脂肽过程中的关键酶，研究发现其酶活与Surfactin产量呈负相关。通过多因素偏最小二乘法模型来表征脂肽结构差异与其效能的关系，结果表明脂肽同系物中C13和C15的百分含量与CMC、排油圈具有明显的相关性。以上研究结果表明，采用氨基酸干预脂肪酸酯生物合成特定性能的脂肽是可行的，对废弃食用油脂资源化合成高性能脂肽提供了理论支持。