《Synthetic and Systems Biotechnology》：Physiological metabolic analysis and process optimization of hypoxia in promoting coenzyme Q
10 biosynthesis and accumulation in
Rhodobacter sphaeroides HY01
編輯推薦：
為解決類球紅細菌工業發酵中輔酶Q10積累的“缺氧誘導”與“氧依賴”悖論，研究人員通過轉錄組學系統解析了缺氧下代謝與形態的重編程機制。研究發現細胞并非通過上調生物合成途徑，而是通過擴大細胞體積與膜面積來促進輔酶Q10積累，并據此通過添加工藝優化，將產量提升18.9%。該研究為基于形態工程的發酵工藝優化提供了新思路。
輔酶Q10（又稱泛醌）是我們細胞能量工廠——線粒體中的關鍵“搬運工”，它在呼吸鏈中傳遞電子，參與三磷酸腺苷（ATP）的合成，同時還具備抗氧化功能。因此，它不僅是人體重要的營養素，更被廣泛應用于藥品、食品和化妝品中，市場規模巨大。目前，工業上主要通過微生物發酵來生產輔酶Q10，而類球紅細菌（Rhodobacter sphaeroides）正是其中產量最高的“明星菌種”。
然而，在利用類球紅細菌生產輔酶Q10的過程中，一個令人費解的“悖論”長期困擾著科學家們：從代謝需求看，輔酶Q10的生物合成和發酵過程本身都是高度“好氧”的，氧氣是其醌環修飾必不可少的底物。但奇怪的是，輔酶Q10偏偏喜歡在“缺氧”的環境下才開始大量積累。在發酵罐中，當細胞的耗氧速率超過供氧速率時，溶解氧會降至零，進入“缺氧”狀態，此時輔酶Q10的產量卻開始飆升。這種“缺氧誘導積累”的現象已被觀察到，但其背后的具體調控機制一直是個未解之謎，嚴重制約了產量的進一步提升。
更棘手的是，氧氣在這里扮演著雙重角色：它既是啟動積累的“誘導信號”，又是合成反應必需的“關鍵底物”。這種矛盾使得調控變得異常復雜。過去的研究大多集中在通過控制耗氧速率等工藝參數來優化生產，或者試圖表達一些氧結合蛋白來調節細胞的攝氧強度，但對于缺氧條件下工業菌株內部代謝通路究竟如何重編程，特別是與細胞生理狀態直接相關的代謝組學證據非常缺乏。此外，盡管嘗試過多種代謝工程改造（例如過表達生物合成途徑的關鍵基因），但在工業菌株中均未能成功提高產量。這表明，限制類球紅細菌高產輔酶Q10的關鍵瓶頸可能并非傳統的生物合成途徑本身，而是另有原因。
本研究正是為了解開這個謎團。研究人員利用轉錄組學分析這把“分子顯微鏡”，深入探查了工業生產菌株類球紅細菌在缺氧前后基因表達的全局性變化。他們系統研究了缺氧如何重塑中心碳代謝、輔酶Q10生物合成以及細胞形態與膜結構相關的基因網絡，并創新性地將細胞形態變化與產量直接關聯起來，最終基于此發現開發了新的工藝優化策略。這項研究不僅闡明了缺氧促進輔酶Q10積累的新機制，更為通過形態工程和過程優化來提升微生物發酵產品的產量開辟了新路徑。相關成果發表在 Synthetic and Systems Biotechnology 期刊上。
為了開展這項研究，作者團隊運用了多項關鍵技術方法。研究在50升生物反應器中進行了類球紅細菌HY01菌株的發酵培養，并通過在線監測系統追蹤了溶解氧、菌體密度、耗氧速率等關鍵生理參數。在發酵過程的不同階段（20%溶解氧時、缺氧4小時和缺氧24小時），研究人員采集了三個生物學重復樣本，利用Illumina HiSeq X平臺進行了轉錄組測序。通過DESeq軟件進行差異基因分析，并結合KEGG通路富集分析，系統解析了缺氧引起的基因表達重編程。同時，研究采用高效液相色譜（HPLC）精確測定輔酶Q10的產量，并使用Image-Pro Plus軟件對顯微圖像進行處理和分析，量化了細胞投影面積等形態學參數，從而建立了形態與產量之間的定量關系。
研究結果
3.1. 類球紅細菌發酵過程中的生理代謝參數
研究發現，在發酵前20小時，菌體處于高耗氧的生長階段，隨著細胞密度和耗氧速率快速上升，溶解氧迅速下降。20小時后，溶解氧降至零，發酵進入缺氧狀態。缺氧抑制了細胞生長，但與此同時，輔酶Q10的產量開始急劇增加，生物合成速率顯著提升。這證實了缺氧是啟動輔酶Q10生物合成與積累的關鍵信號。
3.2. 缺氧刺激下的全局轉錄變化
轉錄組分析顯示，與20%溶解氧條件相比，缺氧4小時和24小時后分別有1482個和2023個基因發生差異表達。KEGG富集分析表明，上調基因主要富集于ABC轉運、雙組分系統等通路；而下調基因則顯著富集于戊糖磷酸途徑、三羧酸循環以及泛醌等萜類醌的生物合成途徑。令人意外的是，輔酶Q10生物合成通路相關基因普遍下調，這與觀察到的產量持續上升現象相矛盾。
3.3. 缺氧下中心碳代謝相關差異基因
中心碳代謝是細胞能量和合成前體的主要來源。研究發現，缺氧后，糖酵解、三羧酸循環和戊糖磷酸途徑中的關鍵基因（如 glk, tkt, pdhB, pdhA, acnA）均顯著下調。這表明缺氧抑制了中心碳代謝，從而限制了為生長和輔酶Q10合成提供的能量、還原力（如NADPH）以及直接前體（如磷酸烯醇式丙酮酸）的供應。
3.4. 缺氧下輔酶Q10生物合成相關差異基因
輔酶Q10的合成涉及莽草酸途徑、MEP途徑和泛醌途徑。轉錄組數據顯示，缺氧后，這三個途徑中的絕大多數基因（如 aroC, aroE, dxs, UbiA, UbiG, UbiE）表達量均下降。唯一例外的是，莽草酸途徑中的 aroQ 基因在缺氧后被特異性誘導表達。盡管存在一個不依賴氧氣的替代合成途徑（涉及 UbiT, UbiU, UbiV），但相關基因在缺氧后也同樣下調。這進一步印證了生物合成途徑的上調并非缺氧下產量增加的主要原因。
3.5. 缺氧下細胞形態相關差異基因
鑒于輔酶Q10是脂溶性分子，主要儲存在細胞膜中，研究人員將目光投向了細胞形態。分析發現，與維持細胞形態和分裂相關的關鍵基因在缺氧后普遍下調。例如，肽聚糖合成基因 murD 和青霉素結合蛋白基因 pbpC 表達降低，這可能導致細胞壁剛性減弱。同時，細胞骨架蛋白 MreB 和細胞分裂蛋白 FtsZ 的表達也下降了1.2倍，這些變化通常會促進細胞體積增大。特別值得注意的是，調控形態的關鍵雙組分系統基因 NtrYX 在缺氧后表達完全消失，這可能正是下游形態相關基因被抑制的上游原因。
3.6. 缺氧下細胞膜相關差異基因
細胞形態改變往往伴隨著膜的擴增。研究發現，與磷脂合成相關的基因（如心磷脂合酶基因 clsC，磷脂酰甘油合酶基因 pgsA）在缺氧后表達上調。同時，調控膜流動性的關鍵基因也發生變化：促進不飽和脂肪酸合成的 fabB 基因表達上調，而抑制其合成的 fabI 基因表達下調。這意味著缺氧后，類球紅細菌可能通過增加磷脂和不飽和脂肪酸的合成，來適應細胞體積增大帶來的膜面積擴張需求，并為脂溶性的輔酶Q10提供更多的“儲存空間”。
3.7. 類球紅細菌形態與輔酶Q10及供氧的關系
為了驗證上述推測，研究直接測量了發酵過程中細胞面積的變化。結果顯示，進入缺氧期后，細胞面積開始快速增大，最終可達初始面積的9倍。線性回歸分析表明，整個發酵過程中細胞面積與輔酶Q10產量呈顯著正相關（R2= 0.9695）。此外，在不同供氧水平（通過攪拌轉速控制）的對比實驗中，低氧組細胞面積和最終產量均顯著低于中氧組，而高氧組的細胞面積和產量最低。這證明供氧水平通過影響細胞形態，進而決定了輔酶Q10的最終產量。
3.8. 不飽和脂肪酸對輔酶Q10生物合成的影響
基于缺氧會上調不飽和脂肪酸合成基因的發現，研究嘗試通過外源添加不飽和脂肪酸（以不同植物油形式）來進一步提高產量。搖瓶實驗發現，添加大豆油、花生油等均可提升產量，其中大豆油效果最佳。在生物反應器中進行驗證，添加3毫升/升大豆油可使輔酶Q10的最大合成速率提高9%，最終產量達到2780毫克/升，比對照組提高了18.9%。這為基于膜工程優化輔酶Q10生產提供了直接的工藝證據。
研究結論與討論
本研究系統揭示了類球紅細菌在缺氧條件下高效積累輔酶Q10的新機制。核心結論是：缺氧后，類球紅細菌并非通過上調傳統的生物合成途徑基因來增加輔酶Q10產量，而是通過一種“形態工程”策略——即下調抑制形態重塑的基因（如 murD, MreB, FtsZ），同時上調膜脂合成基因（如 clsC, fabB），從而主動擴大細胞體積和細胞膜表面積，為脂溶性的輔酶Q10分子創造更多的物理儲存空間。 這一發現巧妙地解釋了“缺氧誘導積累”的悖論。
這一機制具有重要的生理意義。在細菌中，能量代謝（如呼吸鏈）主要發生在細胞膜上。擴大膜面積可以容納更多的電子傳遞鏈復合體（包括泛醌庫），從而在缺氧環境下增強電子流，促進ATP生成，以應對能量短缺的壓力。因此，類球紅細菌通過形態重塑來積累更多輔酶Q10，可能是其適應缺氧環境、維持能量代謝的一種進化策略。
該研究的突破性在于，它將提高微生物發酵產品產量的視角，從傳統的“代謝途徑流量優化”轉向了“細胞物理空間擴容”。基于此原理，研究人員成功通過外源添加不飽和脂肪酸（大豆油）這一簡單的工藝手段，將產量顯著提升了18.9%，驗證了該策略的有效性與可行性。這不僅為理解輔酶Q10的生物合成調控提供了全新視角，也為其他膜結合或細胞內儲存的微生物產物的高產菌株構建和發酵工藝優化，開辟了一條極具潛力的“形態工程”新道路。
