發(fā)布時間：2017-05-09 15:14

  本文關鍵詞：高產(chǎn)油微藻基于基因組的初級代謝網(wǎng)絡重構和代謝流分析，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：Chlorella protothecoides是兼性營養(yǎng)的微藻,在異養(yǎng)條件下細胞生長迅速并可以積累大量油脂,可用于規(guī)模化培養(yǎng)并作為生物柴油生產(chǎn)原料。目前關于C.protothecoides的基礎研究相對滯后,尚不清楚其在不同營養(yǎng)條件下表型差異化的原因以及油脂積累規(guī)律。本文將重構C.protothecoides的初級代謝網(wǎng)絡,并結合代謝組學和代謝流分析方法,從代謝的角度展開應用基礎研究。首先,建立了針對C.protothecoides的代謝物提取和基于LC-MS的測定方法,比較了其在自養(yǎng)和異養(yǎng)條件下的代謝組,發(fā)現(xiàn)大部分代謝物發(fā)生了顯著變化,尤其是糖分解代謝的中間產(chǎn)物在異養(yǎng)時顯著上升,同時ATP和還原力等輔因子以及乙酰輔酶A和丙二酰輔酶A明顯增加,表明了異養(yǎng)C.protothecoides旺盛的葡萄糖代謝以及脂肪酸合成活動。自養(yǎng)轉異養(yǎng)的代謝輪廓分析顯示,游離氨基酸含量逐漸降低,而糖酵解、磷酸戊糖途徑和三羧酸循環(huán)代謝物含量增加,表明細胞回收自養(yǎng)時積累的蛋白質,將碳骨架用于油脂合成。根據(jù)新獲得的基因組的注釋,重構了C.protothecoides的初級代謝網(wǎng)絡,并模擬了不同條件下的生長情況,預測值和實驗值吻合良好說明了模型和數(shù)據(jù)的可靠性。理論最優(yōu)生長的預測表明當前自養(yǎng)和異養(yǎng)生長速率仍可以分別提高20%和10%。表型相面分析給出了不同條件下C.protothecoides出現(xiàn)最佳生長和相應脂肪酸合成的培養(yǎng)條件,即:自養(yǎng)時光吸收通量與CO2消耗速率之比為8.4左右,異養(yǎng)時葡萄糖利用與O2吸收速率之比為2.7左右。運用同位體非穩(wěn)態(tài)標記方法獲得了C.protothecoides自養(yǎng)和異養(yǎng)時代謝物動態(tài)標記過程,并以此為額外約束解析了胞內(nèi)代謝流分布。結果表明自養(yǎng)細胞光呼吸作用可以被其他途徑替代,可以完全抑制以減少碳損失,三羧酸循環(huán)的作用主要是提供生物質合成前體而非產(chǎn)生能量;異養(yǎng)細胞磷酸烯醇丙酮酸羧化酶和蘋果酸酶代謝活躍,形成C4樣通路并可能提供還原力,檸檬酸合成酶與脂肪酸合成競爭碳骨架因此可以被抑制,但同時需要考慮產(chǎn)生能量與還原力的替代途徑。利用動態(tài)流分析方法解析了C.protothecoides氮代謝特征,發(fā)現(xiàn)自養(yǎng)條件下對氨氮的吸收主要通過谷氨酸脫氫酶途徑,而異養(yǎng)條件下氮同化幾乎完全依賴于谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶催化的偶聯(lián)反應。C.protothecoides對氮同化途徑的選擇表現(xiàn)了其應對不同環(huán)境壓力的自我調(diào)節(jié)能力。以上結果對C.protothecoides油脂積累機制的研究具有重要的意義,同時為產(chǎn)量優(yōu)化等應用研究提供了定量化的理論指導。
【關鍵詞】：微藻 代謝組學 代謝網(wǎng)絡重構 代謝流分析 油脂
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：Q949.2
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 主要符號對照表9-11
• 第1章 引言11-30
• 1.1 微藻生物柴油概述11-18
• 1.1.1 生物柴油11-12
• 1.1.2 微藻生物產(chǎn)油的優(yōu)勢12-13
• 1.1.3 微藻生物柴油的生產(chǎn)流程13-17
• 1.1.4 原始小球藻生產(chǎn)生物柴油研究進展17-18
• 1.2 微藻代謝組學研究進展18-21
• 1.2.1 代謝組學簡介18-20
• 1.2.2 代謝組學在微藻研究中的應用20-21
• 1.3 微藻代謝網(wǎng)絡重構研究進展21-24
• 1.3.1 代謝網(wǎng)絡重構簡介21-23
• 1.3.2 已完成代謝網(wǎng)絡重構的藻類23-24
• 1.4 微藻基于~(13)C標記的代謝流分析研究進展24-28
• 1.4.1 同位體穩(wěn)態(tài)標記25-26
• 1.4.2 同位體非穩(wěn)態(tài)標記26-28
• 1.5 論文研究思路28-30
• 1.5.1 立題依據(jù)和意義28
• 1.5.2 研究內(nèi)容28-29
• 1.5.3 研究路線29-30
• 第2章 自養(yǎng)和異養(yǎng)原始小球藻的代謝組分析30-50
• 2.1 本章引言30
• 2.2 材料與方法30-37
• 2.2.1 化學試劑30
• 2.2.2 藻種與培養(yǎng)30-32
• 2.2.3 生長監(jiān)測32
• 2.2.4 代謝物提取32
• 2.2.5 LC-MS測定32-34
• 2.2.6 胞內(nèi)代謝物濃度的絕對定量34-37
• 2.2.7 自養(yǎng)轉異養(yǎng)的代謝輪廓分析37
• 2.3 結果37-49
• 2.3.1 基于LC-MS的原始小球藻代謝物測定方法的建立37-40
• 2.3.2 自養(yǎng)和異養(yǎng)原始小球藻的代謝組40-46
• 2.3.3 原始小球藻自養(yǎng)轉異養(yǎng)過程的代謝輪廓分析46-49
• 2.4 討論49
• 2.5 本章小結49-50
• 第3章 原始小球藻中心碳代謝網(wǎng)絡重構50-70
• 3.1 本章引言50
• 3.2 材料與方法50-57
• 3.2.1 藻種與培養(yǎng)50
• 3.2.3 生長監(jiān)測50-51
• 3.2.4 生物質組成測定51-54
• 3.2.5 原始小球藻初級代謝網(wǎng)絡重構54-56
• 3.2.6 原始小球藻的生長模擬56-57
• 3.3 結果57-67
• 3.3.1 原始小球藻的初級代謝網(wǎng)絡57-59
• 3.3.2 自養(yǎng)和異養(yǎng)原始小球藻的生物質組成59-64
• 3.3.3 自養(yǎng)和異養(yǎng)條件下原始小球藻的生長模擬64-65
• 3.3.4 自養(yǎng)和異養(yǎng)條件下原始小球藻的PhPP分析65-67
• 3.4 討論67-68
• 3.4.1 基于基因組的原始小球藻代謝網(wǎng)絡建模67-68
• 3.4.2 FBA目標函數(shù)的選擇68
• 3.5 本章小結68-70
• 第4章 原始小球藻的同位體非穩(wěn)態(tài)代謝流分析70-84
• 4.1 本章引言70
• 4.2 材料與方法70-72
• 4.2.1 藻種與培養(yǎng)70
• 4.2.2 ~(13)C標記實驗70-71
• 4.2.3 代謝物提取71
• 4.2.4 LC-MS測定71
• 4.2.5 基于動態(tài)同位體分布的代謝流分析71-72
• 4.2.6 輔因子平衡分析72
• 4.3 結果72-81
• 4.3.1 自養(yǎng)原始小球藻標記系統(tǒng)的建立72-74
• 4.3.2 自養(yǎng)和異養(yǎng)原始小球藻的動態(tài)標記74-77
• 4.3.3 自養(yǎng)和異養(yǎng)原始小球藻的非穩(wěn)態(tài)代謝流分析77-80
• 4.3.4 輔因子平衡分析80-81
• 4.4 討論81-83
• 4.4.1 同位體非穩(wěn)態(tài)動態(tài)流分析結果與FBA結果比較81-83
• 4.4.2 INST-MFA與穩(wěn)態(tài)代謝流分析的比較83
• 4.5 本章小結83-84
• 第5章 原始小球藻氮代謝的動態(tài)流分析84-95
• 5.1 本章引言84-85
• 5.2 材料與方法85-88
• 5.2.1 藻種與培養(yǎng)85
• 5.2.2 培養(yǎng)基中氮含量測定85
• 5.2.3 ~(15N)標記實驗85
• 5.2.4 代謝物提取85
• 5.2.5 LC-MS測定85
• 5.2.6 原始小球藻的動態(tài)流分析85-88
• 5.3 結果88-93
• 5.3.1 原始小球藻氮同化途徑中間代謝物的動態(tài)標記88-89
• 5.3.2 自養(yǎng)與異養(yǎng)原始小球藻不同的氮同化途徑89-92
• 5.3.3 由轉氨反應直接生成的其他氨基酸的代謝通量92-93
• 5.4 討論93-94
• 5.4.1 原始小球藻不同營養(yǎng)條件下氮同化途徑的選擇93-94
• 5.4.2 KFP測定結果與FBA模擬值的比較94
• 5.5 本章小結94-95
• 第6章 討論與展望95-100
• 6.1 討論95-96
• 6.2 結論96-97
• 6.3 本研究創(chuàng)新點97
• 6.4 展望97-100
• 參考文獻100-113
• 附錄113-173
• 致謝173-175
• 個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果175

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中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 吳慶余;;自養(yǎng)小球藻轉化為異養(yǎng)代謝生長后細胞的超微結構與相關生化組成[J];南京大學學報(自然科學版);1993年04期

2 詹發(fā)萃;鄧家齊;夏宜

本文編號：352729