Янтарнокислое брожение

Микробиологическое производство янтарной кислоты может осуществляться с помощью диких бактерий, таких как Actinobacillus succinogenes . Mannheimia succiniciproducens и Anaerobiospirillum succiniciproducens или генетически модифицированная Escherichia coli , Corynebacteriumlutamicum и Saccharomyces cerevisiae . Понимание центрального углеродного метаболизма этих организмов имеет решающее значение для определения максимально достижимого выхода янтарной кислоты из источника углерода, используемого в качестве субстрата.

Метаболические пути

Пренебрегая углеродом, используемым для образования биомассы (известно, что он составляет небольшую долю от общего количества используемого углерода), основные биохимические балансы можно выполнить на основе установленных метаболических путей. этих организмов. Используя глюкозу в качестве субстрата, сначала рассматриваются естественные продуценты янтарной кислоты. Эти организмы используют выделение уксусной кислоты (а иногда и муравьиной кислоты ), чтобы сбалансировать потребность НАДН в производстве янтарной кислоты. Существуют два возможных пути, как показано на рисунках 1 и 2. Разница между этими двумя путями заключается в стадии окисления пирувата, где пируватформиат-лиаза используется на рисунке 1 и пируватдегидрогеназа, используемая на рисунке 2. Дополнительный НАДН, образующийся на рисунке 2, приводит к образованию двух возможных путей. 66% молярного потока глюкозы в конечном итоге превращается в янтарную кислоту по сравнению с 50% на рисунке 1. Общие выходы могут быть выражены на основе массы, где путь На рисунке 1 показано, что на грамм потребленной глюкозы (г/г) приходится 0,66 грамма янтарной кислоты. Путь, показанный на рисунке 2, дает выход 0,87 г/г.

Figure 1: Metabolic pathway for producing succinic acid. NADH balance is achieved by acetic and formic acid production. Pyruvate oxidation via the formate lyase route.

Figure 2: Metabolic pathway for producing succinic acid. NADH balance is achieved by acetic acid production. Pyruvate oxidation via the pyruvate dehydrogenase route.

Метаболический путь может быть генетически модифицирован таким образом, чтобы единственным продуктом выделения была янтарная кислота. Этого можно достичь, используя окислительный участок цикла трикарбоновых кислот (ТСА) в анаэробных условиях , как показано на рисунке 3. В качестве альтернативы можно использовать обходной путь глиоксилата (рис. 4) для получения того же результата. Для обоих этих сценариев массовый выход янтарной кислоты составляет 1,12 г/г. Это означает, что теоретический максимальный выход таков, что образуется больше янтарной кислоты, чем потребляется глюкозы за счет фиксации углекислого газа.

Figure 3: Metabolic pathway for producing succinic acid without byproducts. NADH balance is achieved by oxidative TCA branch.

Figure 4: Metabolic pathway for producing succinic acid without byproducts. NADH balance is achieved by oxidative glyoxylate cycle.