米根霉代谢木糖积累富马酸的细胞能量调控机制

富马酸是典型的大宗化学品，采用木质纤维素为原料发酵制备富马酸是实现其低碳制造及可持续发展的重要途径。根霉菌对木质纤维素中木糖的有效转化率低下，制约了其工业化进程。本课题针对米根霉利用木糖积累富马酸过程中出现的"生物量高、产量低"问题，以生长能学、代谢通量计算等为研究手段，通过对不同碳源条件下细胞生长能学参数、胞内中心碳代谢通量及能荷的测定，表征根霉菌代谢木糖积累富马酸的中心代谢网络结构，解析胞内物质流与能量流的迁移规律，获得菌体生长与代谢产物积累的能量控制策略，促进米根霉对木糖的高效转化。该研究将为微生物细胞工厂代谢木糖积累初级代谢产物（如乙醇、乳酸、柠檬酸等）提供调控策略，并对利用工业生物技术实现资源替代具有重要意义。

富马酸是一种重要的化学品，广泛应用于化工、医药、食品等行业。目前发酵法生产富马酸的主要原料为葡萄糖，本研究通过比较米根霉对木质纤维素中主要单糖成分——木糖和葡萄糖的生理代谢差异以及转录组比较差异，研究了限氮条件下的木糖代谢特征及关键酶活性; 通过对米根霉能量代谢的研究，发现了米根霉中存在侧系呼吸途径（抗氰呼吸途径）该途径与能量代谢及富马酸积累具有重要关联。主要工作如下：.1）米根霉利用木糖与葡萄糖的代谢差异：以木糖为碳源时，米根霉生物量较高，达到9.93g/L，对糖转化率达37.2%，同时胞内还原力和ATP含量较高，几乎不积累有机酸；以葡萄糖为碳源时，米根霉生物量为7.28g/L，对糖转化率仅25.46%，细胞大分子组分、胞内还原力以及ATP的含量较低，但有机酸（乳酸为主）积累量较高。.2）米根霉在氮源限制下的木糖代谢和关键酶特性：富氮条件下，木糖代谢速率达2.03 g/(L.h)，木糖还原酶、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的活力以及胞内还原力较高，生物量达18.01 g/L，几乎不积累有机酸；限氮条件下，上述酶的活力以及还原力水平降低，生物量仅4.02 g/L，富马酸积累量为6.55 g/L，残余木糖较高；氮源浓度为0.6 g/L时，上述酶活以及还原力处于前二者之间，此时富马酸积累量达12.28 g/L。.3）米根霉代谢木糖与葡萄糖的转录组研究：通过对米根霉分别在木糖和葡萄糖培养状态下的RNA样品进行测序，获得覆盖基因组84.14%区域的转录组信息。分析结果表明，米根霉的12636个蛋白编码基因中，共有12593个发生转录，其中1245个发生转录差异，在木糖培养条件下转录上调573个，转录下调672个。.4）米根霉细胞中抗氰呼吸途径及其对富马酸积累的影响：米根霉细胞中存在抗氰呼吸途径，该途径的呼吸活力受到碳源、碳氮比的影响。以葡萄糖为碳源，在限氮条件下抗氰呼吸强度较高，占总呼吸强度的70%左右，抗氰呼吸强度与富马酸生产速率同时达到最大值。以木糖为碳源时，抗氰呼吸途径几乎不存几乎不存在，而此时富马酸的积累亦受到抑制。采用定量PCR分析了抗氰呼吸关键酶——交替氧化酶AOX的转录水平，结果表明抗氰呼吸的调控途径是转录水平的调控。. 本项目已发表SCI论文4篇(接受1篇)，中文核心期刊论文8篇（接收1篇），申请专利5项，授权专利2项，申请PCT专利1项。