基于多组学分析和代谢建模的凝结芽孢杆菌混合碳源乳酸发酵过程同型代谢向异型代谢转变机制研究

This project focuses on investigating fermentation characteristics of an industrial lactic acid-producing strain Bacillus coagulans grown in mixed carbon sources (e.g. glucose + isomaltose), and revealing the mechanism of the metabolic switch from homolactic to heterolactic fermentation upon glucose depletion by a systems biology strategy including multi-omics data analysis and metabolic modelling approaches. Firstly, physiological and omics data in fermentation processes of B. coagulans would be collected and analyzed to quantitatively describe metabolism and regulation, reflecting their responses upon the change of carbon sources. Secondly, genome-scale metabolic models would be reconstructed to simulate flux distributions as well as enable multi-omics data integration to investigate relationships between metabolism and regulation. Last but not least, protein constraint would be integrated into the genome-scale metabolic models to accurately simulate the switch from homolactic to heterolactic fermentation, uncovering its mechanism based on the analysis of cellular enzyme usage. The results of this project will deepen the understanding of metabolic regulation in B. coagulans, which is expected to shed light on how to cope with inefficient utilization of residual sugars and the producing of a considerable number of by-products during the fermentation process, and promote the technological advance and development of lactic acid fermentation industry.

本项目拟以工业乳酸生产菌株Bacillus coagulans为研究对象，采用多组学分析和代谢建模的方法，从系统生物学的角度，研究其在混合碳源（葡萄糖+异麦芽糖）下的发酵特性，解析葡萄糖耗尽前后细胞由同型乳酸发酵转变为异型乳酸发酵的机制。通过采集发酵过程的生理参数和多组学数据，对细胞在混合碳源发酵过程中的代谢及调控进行定量的描述，研究细胞代谢与各调控层面对于碳源变化的响应；重构基因组规模代谢模型以模拟胞内代谢流量分布，并运用多组学数据整合分析的方法探究代谢转变与各调控层面之间的关系；整合蛋白约束进一步提高模型的预测能力，以准确模拟环境变化下同型乳酸发酵向异型乳酸发酵的转变，根据胞内蛋白分配结果解析代谢转变的发生机制。本项目研究结果能够加深对B. coagulans代谢调控特性的理解，为解决工业乳酸发酵过程后期残糖利用效率低、代谢物副产物多的问题提供理论指导，促进乳酸发酵行业技术进步。

在工业生产中混合碳源是普遍存在的碳源环境，如何有效的利用混合碳源来提高产品生产是共同关注的问题，因此通过更加深入的了解混合碳源下细胞的代谢调控，能够从根本上提出有效的解决方案。本研究以工业乳酸生产菌株凝结芽孢杆菌为研究对象，运用系统生物学的方法探究在混合碳源下的发酵特性，并解析细胞响应碳源转变的的代谢转变机制。通过对凝结芽孢杆菌混合碳源的摇瓶发酵实验，筛选出凝结芽孢杆菌ATCC7050使用葡萄糖+海藻糖的混合碳源组合，并通过5L发酵罐的条件探究确定了用于后续系统生物学实验的发酵条件。凝结芽孢杆菌在混合碳源下表现出明显的碳源分级利用现象，并且海藻糖阶段的乳酸得率远小于葡萄糖阶段的乳酸得率，而有机酸得率增加，因此可以确定碳源转变引起了代谢的转变。本实验通过代谢网络模型动态模拟和转录组、蛋白组、代谢物组的联合分析，明确了细胞通过在葡萄糖耗尽后下调EMP途径同时上调PPP、TCA、有机酸生成以响应碳源的转变。进而通过最小化代谢调整的方法确定了细胞通过最小化EMP途径的调整来实现代谢的重排，因其具有较高的蛋白成本和转录水平。并且通过ATP的分配方式发现了在海藻糖阶段细胞通过上调ATP生成途径来弥补海藻糖同化过程的ATP消耗，从而解释了代谢转变的内在原因。为了消除代谢转变引起的乳酸得率降低的问题，本实验通过实验室适应性进化策略获得了能够同时利用混合碳源且具有高产乳酸能力的菌株。本研究结果加深了对凝结芽孢杆菌代谢调控的理解，为解决工业乳酸发酵过程后残糖利用率低、代谢副产物多的问题提供了理论指导，也为代谢转变的研究提供了新的思路。