低氧环境促进玉米黑粉菌（Ustilago maydis）衣康酸合成的代谢机制与工业化应用

本文揭示了低氧条件下玉米黑粉菌（Ustilago maydis）衣康酸（IA）产量显著提升的代谢机制，通过0.4-30 L规模发酵实验证明，限制性氧供应（kLa 40 h?1）可使IA产量达26.3 g·L?1，较常规条件提高48%。研究提出以叶轮尖端速度（ITS）为放大标准，为降低工业发酵能耗提供了新策略。

　　

低氧环境促进衣康酸合成的机制探索

1 引言

衣康酸作为丙烯酸的可再生替代品，当前全球年需求量达4.14万吨，但其工业化生产仍依赖丝状真菌土曲霉（Aspergillus terreus）。玉米黑粉菌（Ustilago maydis）因其单细胞生长特性和底物广谱性成为新兴候选菌株，但其严格需氧特性导致高能耗问题。研究团队通过基因改造菌株MB215 ΔCyp3 P_etefRia1，敲除副产物合成基因并过表达衣康酸簇，为代谢研究奠定基础。

2 材料与方法

在0.4 L生物反应器中，通过调控通气量（1-2.5 vvm）和搅拌速度（300-1200 rpm）建立不同氧传递系数（k_La 40-236 h^?1）体系。30 L放大实验采用叶轮尖端速度（ITS 0.63-2.58 m·s^?1）和k_La双标准。通过HPLC监测代谢物，结合碳平衡分析（CO₂排放与生物量关联度达0.98）揭示代谢流向。

3 结果与讨论

3.1 低氧驱动的代谢重构

当k_La降至40 h^?1时，衣康酸产量达26.3 g·L^?1（理论产率72%），较常规条件提高48%。此时细胞干重（CDW）仅5.05 g·L^?1，显示碳通量从生物量合成转向衣康酸途径。值得注意的是，溶解氧（DO）<5%条件下，三羧酸循环（TCA）中间体顺乌头酸通过mtt1转运体外排，经两步转化生成衣康酸，该路径减少3分子NADH生成，缓解低氧压力。

3.2 放大工艺的优化

以ITS为放大标准时，30 L反应器中114 rpm搅拌速度（对应k_La 26 h^?1）重现了小规模实验结果，衣康酸浓度偏差仅18.7%。而k_La放大组出现36.7%偏差，揭示反应器几何参数对氧传递的敏感影响。质量平衡显示，低氧组48%碳流向产物，较常规条件（30.7%）提升显著。

3.3 代谢调控新见解

与土曲霉不同，玉米黑粉菌在低氧下通过"截断TCA"策略减少还原当量积累。这种类似γ-氨基丁酸（GABA）旁路的代谢重塑，可能通过下调细胞分裂相关基因实现。研究还发现，持续1 vvm通气可维持缺氧（hypoxia）而非无氧（anoxia）状态，避免能量代谢崩溃。

4 结论

该研究颠覆了传统高耗氧发酵认知，证明适度氧限制（k_La 26-40 h^?1）可提升衣康酸产率。叶轮尖端速度作为放大标准具有更好重现性，为工业反应器设计提供新思路。未来需结合转录组学进一步解析低氧响应机制，特别是在利用农业废弃物等复杂底物时的调控网络。