葡萄糖限制下产黄青霉新型苯乙酸代谢途径的发现——非稳态13C代谢通量分析揭示溢出控制的代谢重塑机制

本研究通过非稳态13C代谢通量分析（13C-MFA）结合绝对定量代谢组学，首次揭示产黄青霉在葡萄糖限制条件下通过苯甲酸降解途径高效代谢苯乙酸（PAA）的机制。研究发现溢出控制（overflow control）比反馈控制（feedback control）使胞内葡萄糖浓度倍增，PAA摄取率提升2倍但青霉素产量下降25%。该发现为工业青霉素生产提供了新的代谢工程优化策略。

　　

Highlight

不同恒化器操作模式下的葡萄糖分布特征

在溢出控制恒化器中，出口位于气液界面，而反馈控制系统中的出口位于反应器底部。这种出口位置的差异可能导致发酵环境的显著变化。在300小时的操作中对两种模式下的培养液和流出物进行采样以测定代谢物浓度（图2A-D）。

在溢出控制下，流出物生物量比反应器内低13.6%，而葡萄糖浓度高出23.4%。值得注意的是，溢出控制反应器中的胞内葡萄糖浓度是反馈控制的2.1倍，但胞外葡萄糖浓度仅为反馈控制的1/5。这些结果表明溢出控制导致葡萄糖在气液界面显著流失。

讨论

溢出控制和反馈控制在产黄青霉中引发了不同的生理和代谢响应。溢出控制提高了气液界面的葡萄糖损失并降低了生物量（图2），从而诱导了显著的代谢重编程。这些现象与Haringa等人提出的底物利用区理论一致，该理论认为不同的底物可利用区（过量、限制和饥饿）会深刻影响微生物代谢。

结论

在溢出控制条件下，苯乙酸特异性摄取率显著增加，但青霉素产量并未较反馈控制有所提升。通过结合代谢物分析和¹³C非稳态代谢通量分析，我们揭示了一个先前未被充分报道的苯甲酸降解途径。该途径将苯乙酸转化为苯甲酸，继而转化为对羟基苯甲酸，最后裂解芳香环形成丙酮酸和乙酰辅酶A。