如何精準(zhǔn)判斷代謝流與最佳終止時(shí)機(jī)

高效發(fā)酵的秘密，藏在代謝通量的精準(zhǔn)調(diào)控中

在氨基酸工業(yè)發(fā)酵中，我們常常面臨這樣的難題：如何知道碳源在菌體內(nèi)流向了目標(biāo)產(chǎn)物還是副產(chǎn)物？何時(shí)是終止發(fā)酵的最佳時(shí)機(jī)，才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與成本的最優(yōu)平衡？這些問題的答案，都藏在代謝通量的分析與調(diào)控中。

代謝通量：細(xì)胞工廠的“物流系統(tǒng)”

如果把氨基酸生產(chǎn)菌株比作一個(gè)精密運(yùn)行的細(xì)胞工廠，那么代謝通量就是衡量物料（碳架、氮源等）在代謝網(wǎng)絡(luò)這條“生產(chǎn)線”上流動(dòng)效率和方向的指標(biāo)。

如何判斷代謝通量？ 目前主要采用以下兩種方法：

1. 基于化學(xué)計(jì)量學(xué)的代謝通量分析（MFA）
這種方法基于質(zhì)量守恒定律，通過(guò)精確測(cè)定發(fā)酵液中底物（如葡萄糖）的消耗速率、產(chǎn)物（如氨基酸）的生成速率以及副產(chǎn)物（如乙酸、乳酸）的積累速率，計(jì)算出代謝網(wǎng)絡(luò)中各分支途徑的相對(duì)通量分布。這能幫助我們了解碳流的主要走向。

2. 13C標(biāo)記的代謝通量分析（13C-MFA）
這是更先進(jìn)精確的技術(shù)。其原理是使用13C標(biāo)記的底物（如[U-13C]葡萄糖）喂養(yǎng)菌體，然后利用質(zhì)譜（MS）或核磁共振（NMR）檢測(cè)標(biāo)記碳原子在蛋白質(zhì)氨基酸等分子中的分布情況。通過(guò)計(jì)算可以量化中心代謝途徑（如EMP、TCA循環(huán)、磷酸戊糖途徑等）的絕對(duì)通量值，能清晰揭示可逆反應(yīng)和并行途徑的真實(shí)貢獻(xiàn)。

在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如呼吸商（RQ=CER/OUR） 的變化也可作為代謝狀態(tài)轉(zhuǎn)換的間接指示。例如，RQ異常升高可能意味著副產(chǎn)物過(guò)量積累，碳流發(fā)生了“溢出”。

識(shí)別代謝瓶頸期：疏通生產(chǎn)線的關(guān)鍵

代謝瓶頸期是指代謝網(wǎng)絡(luò)中限制目標(biāo)氨基酸合成效率的關(guān)鍵步驟。識(shí)別和解除瓶頸是提高產(chǎn)量的核心。

1. 識(shí)別關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)
通過(guò)代謝控制分析（MCA） 來(lái)計(jì)算通量控制系數(shù)（FCC），該系數(shù)量化了特定酶活性微小變化對(duì)途徑通量的影響程度。FCC值接近1的酶，對(duì)通量具有高度控制力，是潛在的限速步驟或瓶頸。

2. 識(shí)別瓶頸的間接證據(jù)

• ? 中間代謝物積累：如果發(fā)酵液中某個(gè)代謝中間體持續(xù)積累，可能表明其下游反應(yīng)是限速步驟。
• ? 副產(chǎn)物大量生成：當(dāng)碳流無(wú)法有效流向目標(biāo)產(chǎn)物時(shí)，常會(huì)“溢出”到競(jìng)爭(zhēng)途徑，導(dǎo)致副產(chǎn)物增加。

尋找產(chǎn)量與成本的平衡點(diǎn)：科學(xué)終止發(fā)酵

發(fā)酵并非持續(xù)越久越好，需要找到產(chǎn)物產(chǎn)量和能源成本的平衡點(diǎn)來(lái)適時(shí)終止。下圖綜合了幾種關(guān)鍵指標(biāo)的變化趨勢(shì)，幫助您直觀理解如何判斷最佳終止點(diǎn)：

1. 產(chǎn)酸速率下降
單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)物的生成量顯著降低時(shí)，繼續(xù)發(fā)酵對(duì)總產(chǎn)量貢獻(xiàn)很小，而能耗依然較高。

2. 碳效率（轉(zhuǎn)化率）降低
菌體對(duì)底物的利用效率下降，更多碳源被轉(zhuǎn)化為CO?或副產(chǎn)物，而非目標(biāo)氨基酸。例如，通過(guò)優(yōu)化工藝（如連續(xù)放料技術(shù)），可以降低流加糖濃度，提高糖酸轉(zhuǎn)化率。

3. 能源成本攀升
為維持高細(xì)胞密度和供氧，攪拌、通氣和冷卻的能耗持續(xù)增加。當(dāng)產(chǎn)值的增加無(wú)法覆蓋這些可變運(yùn)營(yíng)成本時(shí)，發(fā)酵經(jīng)濟(jì)性便下降。

最佳終止點(diǎn)通常出現(xiàn)在產(chǎn)酸速率由峰值開始穩(wěn)步下降，但絕對(duì)產(chǎn)量仍接近最高的階段。這需要通過(guò)多批次發(fā)酵數(shù)據(jù)建立詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)模型和經(jīng)濟(jì)模型來(lái)確定。有研究表明，通過(guò)優(yōu)化發(fā)酵過(guò)程，例如采用連續(xù)放料策略，可以延長(zhǎng)產(chǎn)酸期，使產(chǎn)酸水平提高20-30 g/L，糖酸轉(zhuǎn)化率提升3%-7%。

未來(lái)展望

隨著系統(tǒng)生物學(xué)與智能控制技術(shù)的發(fā)展，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程數(shù)字孿生系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模發(fā)酵的實(shí)時(shí)優(yōu)化，為精準(zhǔn)調(diào)控代謝通量、識(shí)別瓶頸及確定最佳終止點(diǎn)提供更強(qiáng)大的工具。

通過(guò)深入理解代謝通量，精準(zhǔn)識(shí)別瓶頸，并科學(xué)決策終止時(shí)機(jī)，我們能夠不斷提升氨基酸發(fā)酵的效率和經(jīng)濟(jì)效益。如果您有特定氨基酸的發(fā)酵案例，歡迎與我們一同探討。