Alkaline pH shock enhanced production of validamycin A in fermentation of Streptomyces hygroscopicus

堿性pH沖擊增強吸水鏈霉菌發酵中有效霉素A的生產

來源：Bioresource Technology, Volume 249, 2018, Pages 234-240

《生物資源技術》，第249卷，2018年，第234-240頁

 

摘要

這篇論文研究了堿性pH沖擊對吸水鏈霉菌發酵生產有效霉素A的增強作用及機制。研究發現，通過NaOH沖擊一次或多次，可提高Val-A產量27.43%，伴隨蛋白質合成加速、糖消耗加快。基因表達分析顯示，氨基酸代謝、碳代謝和電子呼吸鏈相關基因顯著上調，呼吸活性和谷氨酸濃度增加。pH沖擊通過復雜機制促進Val-A生產，是對pH脅迫信號的響應，導致谷氨酸代謝和呼吸活性增強。

 

研究目的

研究目的是調查堿性pH沖擊對有效霉素A發酵過程的影響，揭示pH與Val-A產量之間的關系，并探索pH沖擊提高Val-A產量的分子機制，為抗生素生產改進提供參考。

 

研究思路

研究思路包括：首先以pH作為環境脅迫因子，通過不同堿性溶液、不同時間點和不同處理次數的pH沖擊實驗，確定最佳Val-A生產條件；然后分析pH沖擊對細胞生長、底物消耗和Val-A產量的影響；利用DNA微陣列和qRT-PCR研究基因表達變化；通過測量細胞外和細胞內pH、呼吸活性和谷氨酸濃度，探討細胞微環境變化；最后綜合討論pH沖擊的機制。

 

測量的數據及研究意義

1 Val-A產量數據：在不同pH沖擊條件下，Val-A產量變化顯示，NaOH沖擊在20小時時產量最高，比對照提高27.43%。這些數據來自圖1。研究意義：確定了堿性pH沖擊的最佳條件和效果，為優化發酵工藝提供依據，表明pH脅迫能有效刺激次級代謝物生產。

 

2 細胞生長和糖消耗數據：pH沖擊組細胞生物量（以細胞內蛋白表示）從6.00 g/L增加到6.60 g/L，糖消耗速率從1.91 g/(L·h)提高到2.23 g/(L·h)。這些數據來自圖2。研究意義：表明pH沖擊促進細胞代謝和生長，加速底物利用，為Val-A合成提供更多前體和能量。

 

3 pH變化數據：使用丹麥Unisense微電極測量細胞外pH，顯示沖擊后pH先下降后恢復；細胞內pH用熒光染料測量，范圍從7.21到7.73。這些數據來自圖3。研究意義：揭示pH動態變化和細胞穩態調節機制，反映脅迫響應和代謝適應過程。

 

4 基因表達數據：微陣列分析發現146個差異表達基因，包括氨基酸代謝、碳代謝和呼吸鏈相關基因上調，如谷氨酰胺合成酶基因SHJG3702和細胞色素基因SHJG0557。這些數據來自表1。研究意義：從分子水平解釋pH沖擊對代謝通路的調控，表明基因表達變化是產量提高的基礎。

 

5 呼吸活性數據：CTC染色顯示pH沖擊組呼吸活性在36-48小時增加后下降。這些數據來自圖4。研究意義：表明pH沖擊增強電子傳遞鏈活性，提高能量生產，支持Val-A生物合成。

 

6 谷氨酸濃度數據：pH沖擊組細胞內游離谷氨酸濃度達913 ng/mg干重，是對照組（324 ng/mg）的2.82倍。這些數據來自圖5。研究意義：谷氨酸作為氮前體，其增加直接促進Val-A合成，并幫助緩解堿脅迫。

 

 

 

結論

論文得出結論：堿性pH沖擊能顯著提高Val-A產量，通過上調代謝基因表達、增強呼吸活性和谷氨酸代謝實現。pH脅迫信號觸發細胞響應機制，包括離子運輸和能量代謝優化，為鏈霉菌發酵改進提供了新策略。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量的細胞外pH數據（圖3）為研究提供了關鍵的實時環境監測信息。這些數據顯示，pH沖擊后細胞外pH先迅速下降（因細胞應激產酸），隨后逐漸恢復，表明細胞具有pH穩態調節能力。研究意義在于：Unisense電極的高精度測量允許量化發酵過程中pH的動態變化，直接關聯脅迫時機與代謝響應。pH下降階段反映細胞通過產酸中和堿沖擊，而恢復階段表明代謝適應和Val-A合成活躍（因Val-A合成會升高pH）。這證實pH沖擊能有效觸發細胞防御機制，引導代謝流向次級代謝物生產。此外，pH數據與基因表達（如離子轉運基因上調）和呼吸活性變化一致，支持pH作為核心環境信號調控整體代謝網絡。該測量技術為優化發酵控制提供了實證基礎，強調pH監控在工業發酵中的重要性。