大肠杆菌BL21会调整其中心碳代谢机制，以适应重组蛋白的生产以及氧气限制条件

《Microbial Cell Factories》：Escherichia coli BL21 adapts its central carbon metabolism to recombinant protein production and oxygen limitation

代谢负担与微氧条件对大肠杆菌BL21重组菌株中心代谢的影响研究。通过分析低（A2-mCh）与中质粒拷贝数（A3-mCh）菌株的代谢物 pools，发现高拷贝菌株代谢干扰更显著，但两者均通过调整糖酵解和三羧酸循环代谢维持稳态，氧限制未抑制mCherry表达。

　　

摘要

背景

高产重组蛋白表达系统常常面临挑战，这主要是由于细胞资源竞争导致的代谢负担，从而降低了生长速度，限制了其工业应用性。此外，工业重组蛋白生产还受到氧梯度的影响，这是大规模生物反应器中普遍存在的问题。这些氧梯度在生物反应器内创造了不均匀的环境，影响了细胞生长和代谢，对工艺性能产生了严重后果。这两个因素都会改变细胞的生理和代谢过程，进而影响重组蛋白的产量。了解细胞对这些压力条件的代谢适应机制对于揭示潜在的细胞机制至关重要，这有助于进一步优化重组菌株。在这项研究中，我们旨在探讨大肠杆菌（Escherichia coli）的中心代谢系统对代谢负担和微厌氧条件的综合响应。我们研究了两种生产重组蛋白的大肠杆菌BL21菌株，它们携带XylS/Pm载体，具有较低的（A2-mCh）和中等水平的（A3-mCh）质粒拷贝数，并能产生mCherry蛋白。通过引入氧气限制条件来研究这些菌株的反应。我们使用同位素稀释策略，通过三种靶向LC–MS/MS方法分析了中心代谢物的组成以实现绝对定量。

结果

两种重组菌株表现出不同的代谢负担水平，质粒拷贝数较高的菌株生长受阻更为明显，对代谢物的影响也更大。然而，两种菌株对氧气限制的反应相似，中心代谢物池都发生了显著变化。质粒拷贝数较低的菌株中，较低糖酵解途径和三羧酸循环代谢物的浓度有所增加，而较高糖酵解途径、戊糖磷酸途径及核苷磷酸池基本未受影响。但在A3-mCh菌株中，大多数代谢物池的浓度都有所增加。氧气限制导致代谢活性降低，但能量负荷和氧化还原平衡得以维持，mCherry蛋白的产量也没有受到负面影响。

结论

这项研究揭示了大肠杆菌BL21重组菌株的代谢适应机制，表明它们在内部和外部干扰下具有相当强的能力来维持细胞内代谢稳态。