如何讓菌體“吃飽”又不“浪費(fèi)”葡萄糖？
在好氧發(fā)酵過(guò)程中，如何平衡菌體生長(zhǎng)與葡萄糖代謝的關(guān)系，是每一個(gè)發(fā)酵工程師面臨的核心挑戰(zhàn)。這就像一位精心調(diào)配食材的大廚，既要讓微生物“吃飽”，又要避免“浪費(fèi)”，最終目標(biāo)是讓這些微小的“細(xì)胞工廠”高效地生產(chǎn)出我們所需的目標(biāo)產(chǎn)物。
理解這一平衡過(guò)程，關(guān)鍵在于把握碳源、氧氣和能量這三個(gè)核心要素的互作關(guān)系。它們共同構(gòu)成了一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，決定了菌體是將資源用于自身生長(zhǎng)，還是用于合成目標(biāo)產(chǎn)物。下圖清晰地梳理了這個(gè)復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)：
好氧發(fā)酵平衡核心“碳源供應(yīng)策略（控制輸入）”“溶氧精準(zhǔn)控制（維持呼吸）”“代謝流導(dǎo)向（分配資源）”“補(bǔ)料-分批培養(yǎng)避免底物抑制”“根據(jù)生長(zhǎng)階段動(dòng)態(tài)調(diào)整補(bǔ)料速率”
“攪拌轉(zhuǎn)速與通氣量維持臨界溶氧以上”“階段式供氧策略匹配不同時(shí)期需求”“環(huán)境參數(shù)調(diào)控（如pH、溫度）”“遺傳改造與菌種選育優(yōu)化內(nèi)在代謝網(wǎng)絡(luò)”“維持適宜糖濃度
協(xié)調(diào)生長(zhǎng)與代謝”“保障能量供應(yīng)與還原力平衡”“高效定向合成目標(biāo)產(chǎn)物”“成功實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量/高轉(zhuǎn)化率發(fā)酵”
如圖所示，成功的平衡需要從輸入控制、過(guò)程維持和流向分配三個(gè)層面協(xié)同發(fā)力。下面，我們將深入這三大調(diào)控維度，拆解其中的具體策略與科學(xué)原理。
核心矛盾：生長(zhǎng)與生產(chǎn)的博弈
在好氧發(fā)酵中，菌體快速生長(zhǎng)所需的最佳條件與目標(biāo)產(chǎn)物高效合成所需的最佳條件，往往存在差異。菌體生長(zhǎng)需要大量的能量和碳骨架來(lái)合成新的細(xì)胞成分，而目標(biāo)產(chǎn)物的合成同樣需要消耗碳流和還原力。
成功的發(fā)酵控制，就是在這兩者之間進(jìn)行精細(xì)的動(dòng)態(tài)平衡，引導(dǎo)細(xì)胞的代謝流向期望的方向。
三大調(diào)控維度，精準(zhǔn)掌控發(fā)酵過(guò)程
1. 碳源供應(yīng)策略：控制“食物”來(lái)源
葡萄糖作為菌體生長(zhǎng)的碳源和能量來(lái)源，其供應(yīng)方式直接決定了代謝走向。
? 補(bǔ)料-分批技術(shù)：在好氧發(fā)酵中，一次性投入過(guò)高濃度的葡萄糖會(huì)導(dǎo)致Crabtree效應(yīng)（即使在有氧條件下，微生物也會(huì)將過(guò)量葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙酸、乳酸等副產(chǎn)物）或底物抑制。這不僅造成碳源浪費(fèi)，副產(chǎn)物更會(huì)抑制菌體生長(zhǎng)和目標(biāo)產(chǎn)物合成。
采用補(bǔ)料-分批培養(yǎng)是核心策略，通過(guò)持續(xù)或脈沖式流加葡萄糖，將發(fā)酵液中的糖濃度維持在一個(gè)較低的最佳水平，既能滿足菌體持續(xù)生長(zhǎng)的需要，又可有效避免代謝溢流。? 生長(zhǎng)階段依賴：在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，菌體代謝旺盛，耗糖速率快，需要較高的補(bǔ)料速率。進(jìn)入穩(wěn)定期（產(chǎn)物合成期）后，為了將代謝流導(dǎo)向目標(biāo)產(chǎn)物，則需要調(diào)整補(bǔ)料策略。
2. 溶氧的精準(zhǔn)控制：保障“呼吸”順暢
氧氣是好氧發(fā)酵中葡萄糖徹底氧化產(chǎn)生能量的最終電子受體，溶氧水平的控制至關(guān)重要。
? 臨界溶氧濃度：每種微生物都有一個(gè)臨界溶氧濃度。例如，蘇云金桿菌的臨界溶氧值在20%左右，若低于此值，即使葡萄糖充足，菌體的生長(zhǎng)也會(huì)因能量不足而受到抑制。
在實(shí)際發(fā)酵中，尤其是在菌體對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，攝氧率會(huì)急劇上升，必須通過(guò)增加攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量來(lái)維持溶氧高于臨界值。? 階段式供氧策略：發(fā)酵不同時(shí)期對(duì)氧的需求不同。 ? 生長(zhǎng)階段：可能需要維持較高的溶氧以促進(jìn)菌體快速增殖。 ? 產(chǎn)物合成階段：則需將溶氧調(diào)整至一個(gè)特定水平，以激活或強(qiáng)化目標(biāo)代謝途徑。例如，在抗生素發(fā)酵中，生產(chǎn)階段采用分級(jí)控制策略。
3. 代謝流的導(dǎo)向與調(diào)控：駕馭細(xì)胞“工廠”
平衡的最終目標(biāo)是高效合成目標(biāo)產(chǎn)物，這就需要從內(nèi)部和外部對(duì)代謝流進(jìn)行導(dǎo)向。
? 環(huán)境參數(shù)的影響：除了溶氧，溫度和pH值也深刻影響酶活性和代謝途徑。采用兩階段控制法是常見(jiàn)策略：先在適于生長(zhǎng)的溫度/pH下促進(jìn)菌體增殖，到達(dá)高密度后，切換至適于產(chǎn)物合成的條件。 ? 遺傳改造與菌種選育：這是從根源上重塑代謝網(wǎng)絡(luò)的治本之策。 ? 通過(guò)基因工程手段，可以敲除或減弱副產(chǎn)物合成途徑的關(guān)鍵基因，從而將更多的碳流向目標(biāo)產(chǎn)物。 ? 可以過(guò)量表達(dá)目標(biāo)途徑的關(guān)鍵酶基因，解除代謝瓶頸，提高通量。 ? 中國(guó)科學(xué)院微生物研究所研究員陶勇團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種全新的具有不完整三羧酸循環(huán)的大腸桿菌底盤(pán)細(xì)胞，使有氧發(fā)酵的碳損失降到最低，提高了產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率。
從“經(jīng)驗(yàn)控制”到“智能駕馭”：先進(jìn)控制策略
現(xiàn)代發(fā)酵工程正朝著動(dòng)態(tài)、智能的方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的平衡。
? 基于代謝通量分析的動(dòng)態(tài)優(yōu)化：通過(guò)在線監(jiān)測(cè)攝氧率（OUR）、二氧化碳釋放率（CER） 等參數(shù)，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出細(xì)胞內(nèi)的代謝通量分布。基于此，可以反向優(yōu)化溶氧設(shè)定點(diǎn)和補(bǔ)料策略，實(shí)現(xiàn)從“供給控制”到“代謝駕馭”的轉(zhuǎn)變。 ? 智能控制系統(tǒng)：應(yīng)用模糊控制、模型預(yù)測(cè)控制（MPC） 等算法，可以處理發(fā)酵過(guò)程的非線性和大時(shí)滯特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶氧、補(bǔ)料等多參數(shù)的綜合與前瞻性控制。
結(jié)語(yǔ)
在好氧發(fā)酵中平衡菌體生長(zhǎng)與葡萄糖代謝，是一門在分子、細(xì)胞、反應(yīng)器多個(gè)層面上進(jìn)行的、動(dòng)態(tài)的資源優(yōu)化配置藝術(shù)。它要求我們深刻理解微生物的生理特性和代謝規(guī)律，并靈活運(yùn)用碳源控制、溶氧調(diào)控、環(huán)境參數(shù)優(yōu)化以及先進(jìn)的過(guò)程監(jiān)控技術(shù)等手段。
隨著合成生物學(xué)工具與過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)的融合，基于代謝通量分析的精準(zhǔn)調(diào)控將為發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化開(kāi)辟新的天地，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程經(jīng)濟(jì)效益的最大化。
