基于热力学特性的富马酸细胞膜转运机制研究

富马酸（反丁烯二酸）是典型的大宗化学品。生物基富马酸的制备过程中由于存在发酵周期长、生产强度低等问题，成为其规模化制备的主要瓶颈。本研究针对富马酸细胞工厂的薄弱环节，以富马酸的细胞转运体系为对象，旨在通过对富马酸分泌机制的解析，为富马酸细胞工厂的高效运作提供理论依据。采用化学过程中描述物质、能量转化的热力学研究方法，在细胞介观尺度基础上测定表征富马酸转运过程的细胞热力学参数，从自由能变化角度判定物质跨膜运输的方式，发掘细胞热力学参数与物质转运方式的统计学规律，指导跨膜运输过程的能量调控策略。在解析富马酸转运机制的基础上，研究细胞热力学参数对富马酸转运效率的影响，探索其与外界环境扰动间的耦联关系，强化富马酸的转运过程。并结合前期代谢网络的研究基础，建立合成-转运的全局调控手段，以期实现富马酸的快速积累。

富马酸是一种典型的C4二羧酸，被广泛用于食品、饲料、树脂、涂料等行业中。本课题以发酵法生产富马酸为研究对象，研究环境因素对糖、酸转运、代谢的影响。在本项目实施过程中，主要进行三方面工作：首先研究环境条件对底物吸收、代谢的作用机制，强化底物的利用效率；其次在细胞尺度基础上测定表征了影响富马酸转运的相关热力学参数，解析环境因素对富马酸合成、转运的影响，建立合成-转运的全局调控手段，强化富马酸的积累效率。第三，通过对富马酸转运动力学的研究，结合基因组代谢规模网络模拟预测技术，sRNA介导的基因表达调控技术，构建产富马酸基因工程菌，为建立低成本、高效率的富马酸生物合成技术奠定基础。