요약: 글루타민막대균의 포도당 섭취는 주로 포도당에 높은 친화력(Km=0.35mM)을 가진 글루타민산 전이효소계통(PTS)을 통해 이루어진다.포도당을 단일 탄소원과 에너지원으로 하는 배지에서 성장할 수 있는 2-탈산소포도당(2DG)과 PEP 의존성이 부족한 포도당 이송 활성을 견딜 수 있는 돌연변이를 선택하면 저친화력(Ks=11mM)의 비PTS 섭취 시스템을 채택해 당 섭취율이 현저히 낮아진다.서로 다른 삼투압의 배지에서 성장하면 야생형 세포는 포도당보다 소비속도와 성장속도보다 낮아진다.이러한 배양물의 세포가 표준 조건에서 측정 될 때 비슷한 PTS 활성을 가지고 있음을 나타냅니다.그러나 세포가 다른 삼투압의 완충액에 다시 떠 있을 때 PTS 활성은 삼투압과 관련이 있음을 나타냅니다.이런 억제효과는 고투과압 발효배지에서 관찰되는 당 흡수와 성장속도가 떨어지는 원인을 설명할 수 있다.그러나 PTS가 아닌 포도당 이송 시스템은 배양기 삼투압의 영향을 받지 않는다.공업생산조건에서 글루타민산축적배지의 삼투압이 상응하게 증가됨에 따라 당의 환적능력에 대한 류사한 억제가 관찰되였다.이런 현상은 비속률이 낮아지면 세포가 유지돼 소모되는 당 비율이 증가하고 제품 생산률이 낮아지기 때문에 발효 과정을 제한한다.

키워드: 포도당 환적,삼투압;글루타민산 발효;글루타민 막대균;

연구 내용:

1. 삼투압이 PTS 포도당 섭취 시스템의 활력에 미치는 영향

삼투압 800mOsmol/Kg 이내의 PTS 활성은 일정하게 유지되며, 이후 삼투압이 높아지면서 PTS 활성은 선형적으로 떨어진다.삼투압 1900mOsmol/Kg일 때 PTS 활성은 가장 높을 때의 15%에 불과하다.

2. 삼투압이 글루타민산 발효에 미치는 영향

글루타민산과 이차대사산물의 축적은 배양기 삼투압의 현저한 증가를 일으킬 수 있으며, pH 수치를 일정하게 유지하기 위해 알칼리 (이 예에서 암모니아) 의 첨가는 삼투압의 증가를 더욱 심화시킨다.글루타민산 막대균 온도 민감 균주 2262에서 관찰된 이 균주는 고산물 농도 (글루타민산>85g/L) 에 도달할 수 있고 침투압이 2000mOsmol·kg-1을 넘는다.처음 몇 시간 동안 설탕의 소모율은 변하지 않고, 그 다음에

점점 떨어지다.활성 약화가 글루타민산 누적에 따른 삼투압 증가와 관련이 있는지를 점검하기 위해 PTS 활성이 총당 섭취량에 기여하는지를 측정했고, 야생균인 글루타민산 막대균인 ATCC17965에서 측정한 기여가 4.5mmol.g-1·h-1로 일치했다.글루타민산 생산 균주 중 총당 섭취가 더 빨라 삼투효소 활성이 더 높다는 것을 보여준다.협박이 아닌 조건에서 측정된 포도당 섭취 속도는 글루타민산 막대균 2262에 효소 침투가 전체 포도당 섭취량의 25%까지 기여했음을 보여준다.PTS 이송 시스템의 체외 측정 방법에 따라 침투 자극이 PTS 활성 억제에 미치는 영향을 측정하면 포도당 보충 조건 (침투 효소의 기여는 무시할 수 있음) (잔류 포도당 낮음, 즉 2g·l-1 미만) 에서 포도당 소모량의 감소는 예측된 PTS 활성 감소와 매우 근접한 것으로 보인다 (그림 3a). 높은 농도를 유지하는 포도당 보충 전략 (50g·l-1 미만) 을 사용하면 포도당 소모율이 높은 포도당 보충 효소와 포도당 소모율 (그림 3a) 에서 포도당 보충 효소의 추가 개선 될 수 있다. 젖산처럼 나타나다.

3. 글루타민산 생산율에 대한 영향

일단 배지 중의 삼투압이 증가하면 대사 활성이 떨어지는 결과 중 하나는 발효가 끝날 때 글루타민산 생산량이 현저하게 감소하는 것이다.포도당 소비율의 감소는 CO2로 전환되는 포도당 비율이 증가하기 때문에 글루타민산 생산율의 감소를 일으킬 수 있습니다.전체 생산 단계에서 CO2 생산량은 대체로 일정하며, 이는 설탕 분해 대사에서 생화학 에너지를 획득하여 세포 유지의 수요를 일정하게 충족시키는 것을 나타내며, 이러한 수요는 발효 탱크 내의 생물량과 비례한다.

따라서 설탕은 소비율을 낮추는 것보다 사용하는 설탕의 비율을 늘려야 한다.글루타민산 막대균의 유지계수 0.6mmol 포도당/g 세포/h를 사용하여 계산하면, 세포 유지에 필요한 포도당의 비율은 글루타민산 생산 초기 단계의 총 당 소비량의 15%에서 발효 후기의 삼투압이 가장 높을 때의 40%로 증가한다(그림 4).발효 후기에 관찰된 글루타민산 생산율 감소는 수요를 유지하는 탄소 대사 흐름의 변화와 일치한다.대사활성이 약화되는 기간에 따라 대사수요산소량이 낮아지면 산소변화에 따라 잔당농도를 통제하면 일부 생산률손실을 회복할수 있다.

4. 토론

본고는 글루타민산 발효 후기의 억제는 산물의 축적과 침투 환경이 당의 흡수 능력에 대한 통제 영향과 직접적으로 관련이 있음을 설명한다.이런 현상은 유전자 발현 수준의 변화가 아니라 침투 협박 조건에서 환적 시스템의 생화학 활성이 바뀌었기 때문이다.이밖에 이런 효과는 가역적이다. 일단 침투협박이 제거되면 세척된 세포는 여전히 당을 운반하는 능력을 회복할수 있기때문이다.마찬가지로 고침투된 완충액에 중첩될 때 정상적으로 생장하는 세포당의 환적능력도 뚜렷이 낮아진다.삼투압이 증가함에 따라 이러한 생리적 효과는 당 소모 능력의 저하와 대사 속도의 저하를 초래할 수 있다.생물량을 유지하는 에너지 요구는 변하지 않으며, 많은 경우 이러한 압력에 대항하기 위해 추가 에너지를 증가시켜야 하기 때문에 제품 생산률도 떨어질 것이다.점점 더 많은 설탕 소비가 에너지 생산에 사용될 것이기 때문에 제품을 줄이는 대가로 이산화탄소의 형태로 손실될 것이다.글루타민산 발효에 대해서는 배양기 삼투압이 증가함에 따라 생산량과 생산률이 모두 현저하게 낮아졌다.PTS 단백질의 이송 능력 저하를 유발하는 생화학 메커니즘은 여전히 결정되어야하지만 단백질/막 복합체의 구조 변화와 관련이 있을 수 있습니다.글루타민산을 더 효율적이거나 더 빠르게 생산하는 균주가 침투 임계치에 도달하는 것이 더 빠를 것이며, 이로 인해 발효 24시간 후 생산량이 증가하지 않을 수도 있다.따라서 높은 내압력을 가진 균주를 선별하는 것은 발효에 유익하며, 따라서 산업 균주가 충분히 건장하고 높은 생산물 생산량을 얻을 때 높은 대사 활성을 유지할 수 있도록 보장한다.또 다른 대사 억제를 극복하는 경로는 하류 추출 과정을 통합해 발효가 축적될 때 산물을 제거할 수 있는 발효 시스템을 개발하는 것이다.