生物技术进展.doc

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1、生物技术进展氧化还原电位在微氧厌氧发酵中的控制和应用摘要许多发酵产物是在微氧或厌氧条件下产生的，这样的条件下溶解氧探头检测不到氧气，这就为发酵过程的监控和控制提出了一个挑战。胞外氧化还原电位影响细胞内的氧化还原平衡和新陈代谢，易被检测，这就为检测和控制发酵产物的发酵过程提供了另一种替代选择。本文回顾了氧化还原电位在影响基因表达，蛋白质合成和代谢方面的最新进展，以及如何通过控制ORP获得更有效的发酵产物，比如在微氧条件下使酵母菌进行乙醇型发酵和在厌氧条件下使梭状芽孢杆菌进行以丁醇为主要产物的发酵。1综述自人类的祖先开始制作泡菜、

2、酸奶、米酒等食品和饮料以来，发酵有着一个悠久的历史。为了追求理想的风味许多发酵是在微氧和厌氧条件下进行的，同时要进行污染控制因为大多数有害微生物在有氧条件下迅速传播。最近，在原油的可持续供给和石油基础产品特别是运输燃料过度消费给生态环境带来的影响受到关注，微氧和厌氧发酵条件下产生的生物燃料乙醇和丁醇也受到了全世界的关注。不同于有氧培养和溶解氧可以在线监测的发酵，微氧和厌氧发酵的一大挑战是缺乏实时过程监控技术，因为常常发酵过程中的PH值监测仅仅反映了质子活性，因此对细胞内代谢的微妙变化它是不灵敏的。氧化还原电位，氧化还原或（OR

3、P），反映整体的电子转移和在细胞内的代谢中涉及的氧化还原平衡，一个世纪前两个剑桥大学的教授便预测到了它的意义。虽然在相对简单的化学反应系统中已经确立了ORP原理和测量，但是ORP对生物系统中的核心细胞代谢的影响和生物工程中ORP控制的应用仍是十分有限的。目前，为了深入理解细胞内的氧化还原平衡和细胞生理和代谢之间的影响，研发出可以穿透单个细胞的纳米传感器，能直接测量细胞内氧化还原电位，这为具有氧化还原途径偏好的工程菌进行理想发酵获得期望的发酵产物提供了依据。另一方面，通过反映细胞内的氧化还原电位同步电极便可以容易检测到胞外的氧化

4、还原电位，因此，如图1所示，通过改变细胞内ORP和代谢模式可以实现OPR控制策略。在这篇文章中，回顾了ORP对细胞内代谢影响的最新进展，以微氧条件下酵母酿酒中乙醇发酵和厌氧条件下梭状芽孢杆菌产丁醇作为例子，从分子水平和工艺过程两个方面讨论了获得高效发酵产物的ORP控制策略。2ORP对代谢的影响2.1ORP原理ORP表示化合物获得电子的趋势。因此，一个氧化还原反应中需要两种化合物，反应中还原性化合物将电子提供给氧化性化合物，每个氧化还原对有其内在OPR值。电子亲和力越强，氧化还原对的氧化还原电位就越高。表一概括了细胞内新陈代谢中

5、主要氧化还原对的标准ORP值。不同于原电池半反应，无论是好氧抗生素发酵、微氧或厌氧条件下乙醇丁醇发酵，氧化还原反应都是在细胞内同时发生的。使得细胞外OPR监测可以作为细胞内电子传递和氧化还原平衡代谢净结果的一个指标。相对于提供质子信息的PH值，ORP则表示了电子的活动。因此ORP对细胞内的微妙变化更为灵敏。ORP电极系统包括由铂、铑、铱和金等惰性金属构成的检测电极和由Ag和AgCl组成的参比电极组成，可以实时监测发酵系统的氧化还原信息，这种电极对细胞内代谢的影响可以忽略不计。2.2环境因素对ORP的影响一般情况下，温度和氧化性

6、还原性化合物的比例对调节溶液中氧化还原电位是很关键的。对于培养和发酵中的生物应该考虑溶解氧和厌氧条件等环境因素。但在用酵母产乙醇的微氧发酵中，溶解氧探头无法检测到溶解在发酵液中的痕量溶解氧。如表一所示，O2/H2O的标准氧化还原电位是细胞代谢所有氧化还原对中最高的。因此，如果电子转移，即使溶氧量远低于其他代谢产物，氧必须是优先受体，进而更加有效影响ORP。至于厌氧发酵，由于没有溶解氧和化学物质不同程度的减少，补充培养基营养底物和释放到发酵液中的代谢产物的影响变得至关重要。2.3细胞内氧化还原电位的动态平衡共轭氧化还原对和他们的

7、动态平衡是进行细胞内代谢的基础，ORP通过基因表达和酶的合成影响生物细胞的功能，从而影响到信号的感应和传导，最终影响代谢类型，特别是在工业生产相关的应力条件下。由于检测细胞内ORP的技术限制，常用细胞质中的氧化还原对来表征ORP状态。在不同氧化还原对中，氧化型NAD+和NADP+是两个主要的辅助因子，它们从其他分子接受电子形成NADH和NADPH,NADH/NAD+和NADPH/NADP+这两个氧化还原对分别主导了细胞内的新陈代谢。例如，2012年10月以带有NAD+和NADP+作为辅助因子的106和88酶催化了包括855和1

8、064的生物信息数据库KEEG中的氧化还原反应。因此，细胞内的氧化还原电位主要取决于NADH/NAD+的比率，较少取决于NADPH/NADP+的比率。3ORP控制策略发酵系统中氧化性还原性物质的比率决定了氧化还原电位。因此调节ORP的策略主要集中在如何改变氧化还原性物质的比率