用于分析产生类胡萝卜素的Mucor circinelloides和产油的Mucor circinelloides中混合碳代谢的振动光谱方法

《Microbial Cell Factories》：Vibrational spectroscopy methodology for profiling of mixed carbon metabolism in carotenogenic and oleaginous Mucor circinelloides

混合碳源发酵中稳定同位素标记结合多光谱技术揭示了丝状真菌Mucor circinelloides的碳代谢机制，发现葡萄糖主导脂质（TAGs）积累，而聚磷酸盐作为额外能量储备，不同碳源比例显著影响代谢产物分布。

　　

摘要

背景

混合碳底物发酵在工业生物技术中备受关注，因为它能够有效利用可持续资源（如废弃甘油和木质纤维素）来生产食品、饲料、生物燃料和平台化学品。然而，由于大多数微生物对某种底物有偏好，因此碳源的协同利用存在效率低下的问题。本研究采用了稳定同位素标记技术，并结合红外光谱、拉曼光谱和显微光谱技术，来探究混合碳底物发酵过程中的碳利用情况。作为模型系统，选择了能产生类胡萝卜素的丝状真菌Mucor circinelloides，在氮限制条件下，使其在葡萄糖和甘油的不同比例下生长，以诱导其在静止生长阶段积累脂质。

结果

多模态光谱分析方法成功识别了来自混合底物（葡萄糖和甘油）的碳向特定代谢物的转移过程，提供了代谢物产生的详细时间线。在发酵的早期阶段（前8小时），生物质富含蛋白质和碳水化合物，这主要是由于酵母提取物的利用以及部分葡萄糖的消耗。在8至14小时之间，多磷酸盐、脂质和类胡萝卜素的生成开始。在甘油含量丰富的培养基中，类胡萝卜素既来自葡萄糖也来自甘油，可能还受到酵母提取物的影响。脂质的积累主要以甘油三酯（TAGs）的形式存在，这主要归因于葡萄糖的利用。14小时后，生物质继续积累多磷酸盐，而只有在葡萄糖充足的情况下才会观察到较高的TAG水平。相比之下，当甘油过量或甘油作为唯一碳源时，TAG的积累量非常有限或可以忽略不计。多磷酸盐也被确定为重要的额外能量储备物质。

结论

本研究证明，稳定同位素标记结合多模态红外光谱和拉曼光谱技术是追踪混合底物发酵过程中碳流动的有效方法。研究结果强调了葡萄糖在Mucor circinelloides中脂质积累以及多磷酸盐作为替代能量储备的关键作用。多种红外和拉曼技术的联合使用揭示了互补的光谱特征，提高了数据的可靠性，并为发酵过程提供了全面的化学见解。这种方法有助于开发更高效的生物工艺，以实现工业生物技术中的可持续生产。