منابع پایان نامه ارشد درباره لانگالی، استیل-کوآنزیم، مول، متابولیکی

دانلود پایان نامه ارشد

دانسیته سلولی، مصرف سوبسترا و تولید محصول در لانگالی رشد داده شده با گلوکز
▼: گلوکز، ♦: دانسیته سلولی، ▲: استات، ■: اتانول و ●: استون
همان طور که در این شکلها مشاهده می گردد، مصرف فروکتوز و گلوکز توسط باکتری بسیار سریع بود. در مدت زمان 24 ساعت، میزان تبدیل277 89 و 79% برای فروکتوز و گلوکز حاصل گردید. بازده رشد لانگالی روی این سوبستراها به ترتیب 46/45 و 82/41 گرم سلول به ازای هر مول فروکتوز و گلوکز بوده است.
باکتری لانگالی این توانایی را دارد که هم اتانول را به عنوان سوبسترا برای رشد سلول مصرف کند و هم اینکه آن را به عنوان محصول متابولیکی در طی فرایند تخمیر تولید کند [28, 46]. فرایند مصرف اتانول و تولید آن توسط لانگالی از طریق مسیرهای متابولیکی مختلف به واسطه استیل-کوآنزیم A و استالدهید انجام می گیرد [28]. رشد باکتری لانگالی روی اتانول در شکل 4-3 نشان داده شده است. مصرف اتانول به عنوان سوبسترا در مقایسه با فروکتوز و گلوکز به کندی صورت گرفته و تا 96 ساعت ادامه یافت. در آزمایش ناپیوسته کشت باکتری روی اتانول، میزان تبدیل 56% حاصل گردید و بازده رشد باکتری 76/3 گرم سلول به ازای هر مول اتانول بوده است.

شکل ‏43: دانسیته سلولی، مصرف سوبسترا و تولید محصول در لانگالی رشد داده شده با اتانول
♦: دانسیته سلولی، ▲: استات، ■: اتانول و ●: استون
بر اساس گزارشهای پیشین [103]، در هنگام کشت باکتری لانگالی روی استات سدیم هیچ رشدی مشاهده نگردید، اما نتایج این بررسی نشان داد که باکتری لانگالی می تواند استات را به عنوان سوبسترای آلی مصرف کرده و رشد کند. رشد لانگالی روی استات در شکل 4-4 نشان داده شده است. مصرف استات مدت کوتاهی پس از تلقیح آغاز شده و پس از رسیدن به میزان تبدیل 62% در زمان 24 ساعت، مصرف استات متوقف گردید. در این آزمایش، بازده 62/5 گرم سلول به ازای هر مول استات حاصل شد.

شکل ‏44: دانسیته سلولی، مصرف سوبسترا و تولید محصول در لانگالی رشد داده شده با استات
♦: دانسیته سلولی، ▲: استات، ■: اتانول و ●: استون

4-2-2 مسیر متابولیکی پیشنهاد شده برای لانگالی
در فرایند تخمیر، استیل-کوآنزیم A تولید شده وارد مسیر کاتابولیکی می شود تا ATP تولید کند و بدین ترتیب انرژی لازم برای بقاء سلول را فراهم سازد. در مسیر کاتابولیکی، استیل-کوآنزیم A به عنوان ماده اولیه برای سنتز اسیدهای چرب فرار و الکلها مصرف می شود. در فرایند رشد ناپیوسته استوژنها، باکتری فرایند تخمیر دو فازی از خود نشان می دهد که شامل فازهای استوژنیک (تولید اسید) و سالونتوژنیک (تولید حلال) است [117]. باکتری اسیدهای چرب فراری مانند استات را در مراحل اولیه رشد نمایی تولید می کند. هنگامی که میزان اسید موجود در محیط به حد آستانه278 رسید و pH محیط کاهش یافت، مسیر متابولیکی باکتری کمی قبل از ورود به فاز سکون به سمت تولید حلال، عمدتا اتانول، تغییر می کند. مسیر متابولیکی پیشنهاد شده برای رشد هتروتروفیک باکتری لانگالی و تولید محصول توسط آن در شکل 4-5 ارائه گردیده است.

شکل ‏45: مسیر متابولیکی پیشنهاد شده برای رشد هتروتروفیک باکتری لانگالی و تولید محصول
آنزیمهایی که در واکنشها دخالت دارند به اختصار عبارتند از: ACACCT: استیل-کوآنزیم A: استواستیل-کوآنزیم A ترنسفراز279، ACAT: استیل-کوآنزیم A استیل ترنسفراز280، ACS: استیل-کوآنزیم A سنتتاز281، ADC: استواستات دی کربوکسیلاز282، ADH: استالدهید/الکل دی هیدروژناز283، AK: استات کیناز284، BCDH: بوتیریل-کوآنزیم A دی هیدروژناز285، BHBD: بتا-هیدروکسی بوتیریل-کوآنزیم A دی هیدروژناز286، BK: بوتیرات کیناز287، Crt: کروتوناز288، PFOR: پیروات:فردوکسین اکسیدورداکتاز289، PTA: فسفوترانس استیلاز290، PTB: فسفوترانس بوتیریلاز291، SADH: الکل دی هیدروژناز ثانویه292
همان طور که قبلا اشاره شد، گلوکز و فروکتوز از طریق مسیر میکروبی گلیکولایسیس به پیروات تبدیل می گردند. پیروات تولید شده توسط آنزیم پیروات: فردوکسین اکسیدورداکتاز به استیل-کوآنزیم A، CO2 و فردوکسین کاهش یافته تبدیل می گردد [28]. مصرف اتانول به عنوان سوبسترا از طریق آنزیم استالدهید/الکل دی هیدروژناز293 در دو مرحله انجام می گیرد که در آن ابتدا اتانول به استالدهید و سپس به استیل-کوآنزیم A تبدیل می شود [28]. استات به عنوان سوبسترای آلی می تواند مستقیما در حضور آنزیم استیل-کوآنزیم A سنتتاز294 به استیل-کوآنزیم A تبدیل شده و یا به صورت غیر مستقیم ابتدا توسط آلدهید اکسیدورداکتاز295 و با فردوکسین کاهش یافته به استالدهید کاهیده شده و سپس به استیل-کوآنزیم A تبدیل شود. با توجه به اینکه مصرف استات بسیار سریعتر از اتانول بود، چنین فرض شد که استات مستقیما به استیل-کوآنزیم A تبدیل می شود.
استیل-کوآنزیم A تولید شده که در تقاطع مسیر کاتابولیکی و آنابولیکی قرار دارد یک ماده اولیه ایده ال برای سنتز اجزای سلولی و همچنین اتانول و استات است. در مسیر کاتابولیکی، استیل-کوآنزیم A (CH3COS-CoA) ابتدا توسط آنزیم فسفوترانس استیلاز296 به ترکیب واسطه استیل-فسفات(CH3COO-P32-) تبدیل می گردد[11, 74] :
CH3COS-CoA + Pi → CH3COO-P32- + HS-CoA (4-1)
سپس، استیل-فسفات به استات تبدیل می شود در حالیکه یک مولکول ADP در حضور آنزیم استات کیناز297 به ATP فسفریله می شود [74]:
CH3COO-P32- + ADP → CH3COOH + ATP (4-2)
برای تولید اتانول، NADH توسط ارگانیزم مصرف می شود تا در حضور آنزیم استالدهید دی هیدروژناز298، استالدهید (CH3CHO) تولید کند [11]:
CH3COS-CoA + NADH + H+ → CH3CHO + NAD+ + HS-CoA (4-3)
CH3CHO + NADH + H+ → CH3CH2OH + NAD+ (4-4)
در نهایت، آنزیم الکل دی هیدروژناز299 استالدهید را به اتانول تبدیل می کند. مسیر متابولیکی تبدیل استیل-کوآنزیم A به محصولات نهایی برای بیشتر استوژنها مسیر شناخته شده ای است.

4-2-3 تولید محصول
رشد ناپیوسته باکتری لانگالی با تولید استات و اتانول و مقادیر بسیار کمی استون مطابق واکنش زیر همراه بود:
Fructose or Glucose + 2ADP +2Pi → 2ethanol + 2ATP + 2CO2 (4-5)
Fructose or Glucose + 3ADP + 3Pi → 3acetate + 3ATP (4-6)
توزیع محصولات نهایی هنگام رشد لانگالی روی فروکتوز در شکل 4-1 نشان داده شده است. در فاز نمایی رشد سلول، استات تولید گردید و سپس مسیر متابولیکی به سمت تولید حلال، عمدتا اتانول و مقادیر جزئی استون شیفت پیدا کرد. در 6 ساعت اول فرایند تخمیر، کاهش شدیدی در pH محیط کشت از 9/5 تا 5/4 ایجاد شد که به تولید اسید مربوط می شد. پس از گذشت 24 ساعت، غلظت استات در محیط به 5/24 میلی مول در لیتر رسید و تقریبا در طول فرایند تخمیر ناپیوسته ثابت باقی ماند. تولید اتانول در فاز رشد نمایی آغاز گردیده و در فاز سکون رشد سلول به میزان قابل توجهی افزایش یافت. با توجه به مسیر متابولیکی استیل-کوآنزیم A، تولید اتانول موجب افزایش مصرف ATP می گردد و در نتیجه موجب رشد سلول نخواهد شد [45, 54]. بنابراین، تولید اتانول در شرایط عدم رشد300 افزایش می یابد. حداکثر میزان اتانول تولید شده با فروکتوز، 1/27 میلی مول در لیتر بود که پس از 120 ساعت حاصل گردید.
شکل 4-2 پروفایل تولید استات، اتانول و استون را برای باکتری لانگالی رشد داده شده با گلوکز نشان می دهد. با وجود آنکه دانسیته سلولی بالایی در فاز سکون حاصل گردید اما تولید اتانول توسط سلولها قابل توجه نبود (کمتر از 6/5 میلی مول در لیتر). مقادیر بسیار کمی استون نیز در محیط کشت تولید شد. در مقابل، غلظت بالایی از استات (8/44 میلی مول در لیتر) به عنوان محصول اصلی حاصل گردید. در زمان 72 ساعت، تولید اتانول متوقف شده و غلظت استات در محیط افزایش یافت که می توانست نشانه ای از تغییر مسیر متابولیکی باکتری از فاز سالونتوژنیک به فاز استوژنیک باشد. این مساله تغییر فاز احتمالا به نیاز سلولها به ATP مربوط می شد که موجب افزایش تولید استات گردید. نتایج به دست آمده نشان می دهد که لانگالی گلوکز را عمدتا به استات متابولیز کرد و جریان کربن کمی از گلوکز به اتانول وجود داشت.
تاثیر اتانول به عنوان سوبسترای آلی روی توزیع محصول باکتری لانگالی در محیط کشت ناپیوسته مطالعه گردید و نتایج این بررسی در شکل 4-3 ارائه شده است. پس از مصرف اولیه اتانول توسط سلولها، مصرف اتانول متوقف شده و مقدار کمی استات در محیط کشت تولید شد. مقدار استات تولید شده به اندازه ای کم بود (7/2 میلی مول) که نتوانست pH محیط کشت را به صورت مطلوبی کاهش دهد. از آنجا که سلولها همچنان در pH رشد (7-5) بودند، مقدار بیشتری از اتانول به عنوان سوبسترا در زمان 72 ساعت مصرف گردید. سپس، تولید اتانول همزمان با ورود سلولها به فاز سکون رشد آغاز گردیده و 25 میلی مول در لیتر اتانول در زمان 120 ساعت در محیط کشت تولید گردید. تولید اتانول از طریق استیل-کوآنزیم A و مصرف معادلهای کاهنده (NADH) انجام گرفت تا در حضور آنزیم استالدهید دی هیدروژناز، استالدهید تولید شده و سپس استالدهید توسط آنزیم الکل دی هیدروژناز به اتانول تبدیل گردد. استات تولید شده نیز می توانست توسط آنزیم آلدهید اکسیدورداکتاز و همراه با فردوکسین کاهش یافته به استالدهید کاهیده شده و در نهایت به اتانول تبدیل شود [28].
توزیع محصولات در هنگام رشد لانگالی روی استات در شکل 4-4 ارائه گردیده است. استات به عنوان سوبسترای آلی برای رشد سلول استفاده گردید. هرچند، تولید استات پس از 24 ساعت متوقف گردیده و تولید اتانول آغاز شد. اتانول و مقادیر جزئی استون تنها متابولیتهای فرایند تخمیر استات بودند. محتمل ترین مسیر متابولیکی برای این انجام این فرایند، تبدیل استات به استیل-کوآنزیم A و سپس کاهش آن به اتانول مطابق واکنش زیر بود [118]:
Acetate + 2NADH + ATP→ Ethanol + 2NAD+ + ADP + Pi (4-7)
با وجود آنکه حضور استات در محیط کشت موجب تغییر مسیر متابولیکی سلولها به سمت فاز تولید حلال گردید اما تولید اتانول قابل توجه نبود (5/3 میلی مول در لیتر). اندازه گیری تغییرات pH محیط کشت در طول فرایند تخمیر نشان داد که پس از گذشت زمان 24 ساعت، pH از 9/5 به حدود 8/6 افزایش یافت که این pH برای تولید اتانول مناسب نبود. بر اساس گزارشهای پیشین [78]، pH حدود 5/4-4 که شرایط عدم رشد سلولها را ایجاد می کند pH مناسبی برای تولید اتانول توسط لانگالی است.
خلاصه ای از عملکرد باکتری لانگالی با سوبستراهای مختلف بر اساس بازده مصرف سوبسترا، رشد سلول و تولید محصول در جدول 4-1 ارائه گردیده است. بیشترین بازده تولید سلول از سوبسترا (46/45 YX/S= گرم بر مول) و میزان تبدیل سوبسترا (69/88%) با فروکتوز حاصل شد. همچنین استفاده ار فروکتوز به عنوان سوبسترا منجر به تولید اتانول و استات با نسبت مولی یکسان (03/1 EtOH/Ac=مول به مول) گردید. بازده تجربی تولید محصول با گلوکز (29/2YP/S,exp= مول به مول) به مقدار تئوری آن (6/2= YP/S,thمول به مول) نزدیک بود اما استات محصول نهایی غالب بود و فقط مقدار بسیار کمی اتانول در محیط کشت تولید شد (12/0 EtOH/Ac= مول به مول). رشد باکتری روی اتانول کند و ضعیف بود (76/3 YX/S=گرم بر مول) اما بازده تولید محصول از بیومس (89/117YP/X= میلی مول به گرم) نسبتا قابل توجه بود. با وجود آنکه نسبت بالایی از اتانول به استات (65/16 EtOH/Ac=مول به مول) با این سوبسترا تولید شد اما میزان اتانول تولید شده (25 میلی مول در لیتر) در مقایسه با اتانول مصرف شده (60 میلی مول در لیتر) در آزمایش ناپیوسته 120 ساعته نسبتا کم بود. استات برای تولید محصول اصلا مناسب نبود (07/0 YP/S,exp=مول به مول) و تنها می توانست تا حدودی باعث رشد باکتری شود (62/5 YX/S=گرم بر مول). نتایج به دست آمده نشان داد که فروکتوز

پایان نامه
Previous Entries منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، مواد غذایی، تغییرات جمعیت، تغییرات جمعیتی Next Entries منابع پایان نامه ارشد درباره رگرسیون، فیزیولوژی، رشد جمعیت