不同氮碳源培养条件下Cupriavidus necator单细胞蛋白的合成特性与优化研究

为解决全球蛋白质短缺问题，研究人员以Cupriavidus necator为模型，系统评估了铵盐/尿素（氮源）及葡萄糖/甲酸/油酸（碳源）对其生长及单细胞蛋白（SCP）合成的影响。研究发现甲酸碳源结合铵盐氮源可显著提升蛋白质含量（83%DW），同时降低核酸与聚羟基脂肪酸酯（PHA）积累，为微生物蛋白生产提供了高效底物组合方案。

　　

随着全球人口增长和畜牧业需求激增，传统蛋白质来源面临可持续性挑战。微生物单细胞蛋白（Single Cell Protein, SCP）因其高蛋白含量和快速增殖特性成为研究热点。然而，微生物菌株筛选、培养基优化及产物纯度控制仍是产业化瓶颈。其中，革兰氏阴性菌Cupriavidus necator（原名Ralstonia eutropha）因其卓越的底物广谱性和高达80%的蛋白含量备受关注，但其在不同氮碳源下的代谢调控机制尚不明确。

法国图卢兹生物技术研究所（TBI, Université de Toulouse, CNRS, INRAE, INSA）的研究团队通过系统设计氮源（硫酸铵vs尿素）和碳源（葡萄糖vs甲酸vs油酸）组合实验，揭示了C. necator CECT4623菌株的代谢偏好性。研究成果发表于《Journal of Biotechnology》，为工业化SCP生产提供了关键工艺参数。

研究采用生物反应器批次/补料培养技术，结合流式细胞术（检测细胞膜通透性及PHB积累）、高效液相色谱（HPLC，代谢物分析）、元素分析（CHONS）及气相色谱（PHA定量）等多维分析方法。通过监测比生长速率（μ_max）、生物量得率（Y_X/S）及细胞形态变化（FSC/SSC信号），系统评估了不同培养条件下的代谢特征。

氮源比较研究

硫酸铵培养组展现出更快的比生长速率（0.21 vs 0.17 h^-1）和更高蛋白质积累（69.4%_DW vs 尿素组47%_DW）。流式细胞术显示尿素组细胞颗粒度（SSC信号）降低50%，伴随PHB含量下降（0.82%_DW vs 硫酸铵组15.2%_DW）。氨基酸谱分析表明，尿素显著提升异亮氨酸（5.6%_DW）和亮氨酸（10.9%_DW）含量，而硫酸铵更利于缬氨酸（10.33%_DW）和天冬氨酸（9.2%_DW）合成。

碳源代谢差异

甲酸补料培养实现最高蛋白质产量（82.86%_DW），PHB含量仅1.7%_DW，且细胞形态均一性最佳（FSC变异系数<15%）。相比之下，葡萄糖组PHB积累达15.2%_DW，油酸组因提取技术限制数据波动较大。元素分析揭示甲酸组氮硫比例（S/N 0.02）与葡萄糖组相当，但显著高于油酸组（0.012），印证其更完整的含硫氨基酸合成能力。

代谢机制解析

研究指出，甲酸的优异表现源于其通过甲酸脱氢酶（FDH）直接进入卡尔文循环（Calvin-Benson-Bassham cycle），减少了碳分流至储存物质PHA的损耗。而尿素水解产生的CO₂导致C/N比失衡，促使碳流向碳水化合物而非蛋白质合成。该发现为理解C. necator的代谢网络调控提供了新视角。

这项研究不仅确立了甲酸-硫酸铵作为SCP生产的最优组合，其建立的流式细胞快速检测方法（PI/Nile Red双标）为工业化质控提供了技术支撑。未来研究可进一步探索混合底物策略及下游核酸降解工艺，推动微生物蛋白从实验室走向餐桌。