大肠杆菌L-色氨酸合成的代谢流分析

大肠杆菌发酵生产L-色氨酸工艺简析廖韦红;褚宏;纪衍英【摘要】本文对L-色氨酸进行了简要概述,指出利用大肠杆菌工程菌直接发酵生产L-色氨酸为国内主流方法,并对其成熟的发酵工艺控制、提取工艺进行了简析,并指出部分可进一步优化的工艺点。

其中发酵工艺简析包括菌种培养基增加一定溶度抗生素和控制发酵温度来控制质粒稳定性;分析物料作用并提出优化后的种子、发酵培养基组成;菌种无需控制溶氧,而发酵则用溶氧反馈补料;控制乙酸和氨氮浓度、顺序升温缩短周期降低抑制性副产物作用。

分离提取工艺简析包括硫酸酸化p H2-3,陶瓷膜过滤并控制滤液平均单位为14000-18000u/ml,阳离子树脂纯化,醋酸调pH5.89,0.5%活性炭60℃脱色20-30min,蒸发浓缩结晶,纯化水洗涤整条工艺路线。

【期刊名称】《生物技术世界》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】2页(P11-12)【关键词】L-色氨酸;大肠杆菌;发酵生产;提取;工艺【作者】廖韦红;褚宏;纪衍英【作者单位】[1]山东鲁抗生物制造有限公司，山东邹城273517;[2]山东鲁抗医药股份有限公司，山东济宁272000;[3]山东鲁抗立科有限公司，山东济宁272000【正文语种】中文【中图分类】TQ92L-色氨酸，1825年首次被发现，是第二必需氨基酸，广泛应用于各行业。

化学名为α-氨基-β-吲哚丙酸，白色或微黄色片状晶体或粉末，溶于水，在稀酸或稀碱中较稳定。

在有NaOH、CuSO4存在下加热会分解产生大量吲哚。

其生产方法最早是化学合成法和蛋白质水解法，在上世纪90年代就被酶促转化法所替代。

又因酶促反应法底物价格高，转化率低，很快被微生物发酵法替代，有添加前体发酵和直接发酵两种形式。

前体物的价格比较昂贵，不利于降低成本。

又随着重组DNA技术在L-色氨酸生产菌株的筛选中的可靠应用，使直接发酵法更具优势，成为目前的主流工业方法。

L-色氨酸生产菌株有谷氨酸棒杆菌，黄色短杆菌，枯草杆菌，重组大肠杆菌。

大肠杆菌酪氨酸代谢通路的分子机制研究大肠杆菌（Escherichia coli）是一种广泛存在于动物肠道中的细菌，是人类肠道微生物群落中的重要成员之一。

它能够分泌酶解乳糖产生能量，并且能够通过可变路径代谢氨基酸获得必要的营养物质。

酪氨酸是一种重要的氨基酸，不仅是蛋白质的组成成分，也是许多生物合成和代谢过程中的重要物质。

本文将着重讨论大肠杆菌中酪氨酸代谢通路的分子机制研究。

酪氨酸是一种天然存在于生物中的氨基酸，可以通过酪氨酸合成途径合成，也可以从饮食中获得。

在大肠杆菌中，酪氨酸代谢通路包括三个主要途径：酚酸途径（PheA复合体和TyrB酰载体），芳香族氨基酸途径和侧链裂解途径。

这三个途径相互影响，协同作用，从而支持细菌的生长和代谢。

酚酸途径是酪氨酸代谢的第一个重要步骤。

在这一过程中，酪氨酸被氨基酰酶加成为酰载体，然后被切割为苯丙氨酸和乙酰辅酶A（CoA）。

这个过程由PheA复合体和TyrB酰载体参与完成。

研究发现，PheA和TyrB都是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族中的磷酸化蛋白，它们的磷酸化状态能够影响酪氨酸代谢通路的活性。

另外，还发现TyrB的N端序列具有下游自适应区域（DAR），该区域能够与RNA结合，调节转录后水平的TyrB蛋白表达量。

芳香族氨基酸途径是酪氨酸代谢的第二个步骤。

在该途径中，酪氨酸和苯丙氨酸被加入到酪酸池中进行氧化反应。

这一过程由TyrA酰载体和TyrR共同协同完成。

TyrA酰载体是一个重要的调控因子，并且可以响应TyrR的和谐信号控制。

另外，还发现TyrA酰载体的翻译后修饰（磷酸化、糖基化）也会影响该途径的活性。

侧链裂解途径是酪氨酸代谢的第三个步骤。

这个过程通过侧链裂解酶和3-羟基-3-苯丙酸酯酰载体完成。

侧链裂解途径是一种重要的代谢途径，可以使细菌在没有芳香族氨基酸的条件下代谢苯丙氨酸和酪氨酸。

通过以上讨论，我们可以得出结论，大肠杆菌中酪氨酸代谢通路的分子机制是一个复杂的调节网络。

大肠杆菌的代谢途径及调控机制大肠杆菌（Escherichia coli）是一种广泛存在于自然环境中的革兰氏阴性杆菌。

它是常见的消化道菌群成员之一，也是重要的实验室模式生物。

大肠杆菌代谢途径的理解对于理解生命现象的各个层面具有重要意义。

在本文中，将介绍大肠杆菌的代谢途径及调控机制。

总体代谢途径大肠杆菌的代谢途径可以分为两个部分：有氧代谢和厌氧代谢。

有氧代谢是指在有足够含氧量的情况下，细胞利用氧气氧化代谢底物，产生更多的ATP。

厌氧代谢是指在缺氧的情况下，细胞不利用氧气氧化代谢底物，在发酵作用下产生更少的能量。

这两种代谢途径为大肠杆菌提供了在不同环境下生存的能力。

有氧代谢途径大肠杆菌的有氧代谢主要包括三种途径：糖酵解途径、三羧酸循环及呼吸链。

糖酵解途径：大肠杆菌中最为重要的代谢途径是糖酵解途径。

它包括十个步骤，将葡萄糖分解为两个分子的丙酮酸，同时产生两个分子的ATP。

在乳酸菌等其他微生物中，糖酵解途径可直接生成乳酸。

但大肠杆菌的糖酵解途径最终生成的是丙酮酸、乳酸、乳酸酸或无氧乙酸。

这些化合物可以被呼吸链进一步代谢，在细胞内持续产生能量。

三羧酸循环：大肠杆菌的三羧酸循环是一种周期性的反应，在细胞内循环进行。

三羧酸循环也被称为卡布酸循环或柠檬酸循环。

它涉及到多个底物的代谢，包括葡萄糖、脂肪酸和蛋白质分解生成的氨基酸。

三羧酸循环的反应产生NADH和FADH2，这些被转移到呼吸链中，进一步产生ATP。

呼吸链：呼吸链是由一系列氧化还原反应组成的过程。

在有氧条件下，细胞通过呼吸链转移电子，并最终将它们转移到氧分子上，形成水分子。

这些反应产生电荷，这些电荷最终用来产生ATP。

同时，呼吸链用于维持细胞的内部环境，防止过多的还原中间产物在细胞中积累。

厌氧代谢途径在缺氧环境下，大肠杆菌通过发酵作用代谢底物，并产生少量的ATP。

大肠杆菌的厌氧代谢途径包括糖酵解途径、无氧乙酸发酵途径等。

糖酵解途径：当大肠杆菌在缺氧的环境下，无法将氧转化为ATP，因此它使用糖酵解途径在缺氧条件下生成少量的ATP。

L-色氨酸的生产及其代谢控制育种摘要本文综述了利用微生物生产L-色氨酸的各种方法和L-色氨酸的生物合成途径及其代谢调控机制，并介绍了利用重组DNA技术选育L-色氨酸高产菌的研究现状。

L-色氨酸是含有吲哚基的中性芳香族氨基酸，为白色或略带黄色叶片状结晶或粉末，水中溶解度1.l4g(25℃)，溶于稀酸或稀碱，在碱液中较稳定，强酸中分解。

微溶于乙醇，不溶于氯仿、乙醚。

它是人体和动物生命活动中必需的氨基酸之一，对人和动物的生长发育、新陈代谢起着重要的作用，被称为第二必需氨基酸，广泛应用于医药、食品和饲料等方面。

在生物体内，从-色氨酸出发可合成5-羟基色胺等激素以及色素、生物碱、辅酶、植物激素等生理活性物质，可预防和治疗糙皮病，同时具有消除精神紧张、改善睡眠效果等功效。

色氨酸代谢失凋会引起糖尿病和神经错乱，因此在医学上被用作氨基酸注射液和复合氨基酸制剂。

另外，由于色氨酸是一些植物蛋白中比较缺乏的氨基酸，用它强化食品和做饲料添加剂对提高植物蛋白质的利用率具有重要的作用，它是继蛋氨酸和赖氨酸之后的第三大饲料添加氨基酸。

1.色氨酸的生产方法色氨酸的生产最早主要依*化学合成法和蛋白质水解法，但是随着对微生物法生产色氨酸研究的不断深入，这种方法已经走向实用并且处于主导地位。

微生物法大体上可以分为直接发酵法、微生物转化法和酶法。

近年来还出现了将直接发酵法与化学合成法相结合、直接发酵法与转化法相结合生产色氨酸的研究。

另外，重组DNA技术在微生物育种和酶工业上的应用极大地推动了直接发酵法和酶法生产色氨酸的工业化进程。

1.1微生物转化法亦称前体发酵法。

这种方法使用葡萄糖作为碳源，同时添加合成色氨酸所需的前体物如邻氨基苯甲酸、吲哚等，利用微生物的色氨酸合成酶系来合成色氨酸。

这种方法同直接发酵法一样，需要解除生物合成途径中大部分酶所受到的反馈调节，以使色氨酸能够高浓度蓄积。

另外，所添加的前体物大都是抑制微生物生长的，因此添加量不可过高，一般采取分批少量添加的方法。

大肠杆菌代谢通路分析与调控机制研究随着化学制品和生物技术的发展，微生物工程和微生物代谢途径的调控机制研究越来越受到科学家们的关注。

其中，大肠杆菌是最为广泛应用的模式菌种之一。

本文将重点讨论大肠杆菌代谢通路的分析和调控机制研究。

一、大肠杆菌代谢通路的分析大肠杆菌代谢通路主要包括糖酵解通路、三羧酸循环、脂肪酸代谢、核酸代谢和氨基酸代谢等。

其中，糖酵解通路是大肠杆菌最为重要的代谢途径之一，可以将葡萄糖等单糖分解为丙酮酸、乳酸、丙酮、醋酸和二氧化碳等代谢产物，并通过产生大量的ATP，为细胞提供能量。

此外，大肠杆菌的三羧酸循环代谢通路可以将葡萄糖、脂肪酸和某些氨基酸中的碳骨架分解为丙酮酸和柠檬酸等二羧酸，产生ATP和NADH，并维持细胞的代谢平衡。

脂肪酸代谢通路则可以将脂肪酸分解为乙酰辅酶A和NADH，并进一步参与三羧酸循环或β氧化过程。

另外，大肠杆菌的核酸代谢通路负责合成和降解核酸，其中嘌呤合成和嘧啶合成是两个互补的过程。

氨基酸代谢通路则负责维持大肠杆菌的氮平衡，并参与产生一些特殊氨基酸和维生素等物质的生产。

二、大肠杆菌代谢通路的调控机制研究大肠杆菌代谢通路的调控机制非常复杂，涉及到转录水平、翻译水平和代谢底物的信号传递等多个环节。

在适应不同环境和生长阶段的过程中，大肠杆菌通过合理调节代谢通路的活性，以满足细胞生长和代谢需求。

例如，在糖酵解通路中，磷酸转移酶系统可以通过调节糖酵解关键酶的磷酸化状态，从而调节酵解通路的通量和ATP产生速率。

三羧酸循环中，苏氨酸代谢途径可以通过调节丙氨酸和苏氨酸的浓度，以及体内丙氨酸脱氨酶和苏氨酸-丙氨酸转氨酶的活性，调节三羧酸循环的活性。

通过对大肠杆菌代谢通路调控机制的研究，不仅可以深刻理解细胞的代谢过程和生理功能，还可以对微生物工程和代谢工程等领域的研究提供重要的指导作用。

三、大肠杆菌代谢通路的应用和展望大肠杆菌代谢通路的研究在医学、农业和工业等领域中具有广泛应用，例如可以被应用于新药开发、生物柴油生产和工业废水处理等方面。

大肠杆菌群的遗传学和代谢途径研究大肠杆菌（Escherichia coli，简称E. coli）是一种常见的肠道菌，其遗传学和代谢途径的研究已经成为微生物学领域的经典研究之一。

本文将从遗传学和代谢途径两个方面探讨大肠杆菌群的研究进展。

遗传学研究大肠杆菌是一种实验室常用的模式生物，其基因组已被完整测序。

该菌有约4,300个基因，其中近半数用于代谢途径。

大肠杆菌基因组的完整测序为研究其遗传学提供了平台。

基因调控是生命活动的重要环节。

在大肠杆菌中，基因的调控主要通过转录因子实现。

最初的转录因子研究发现，它们可以类比于组织学家研究的核蛋白。

如今已知大肠杆菌中存在数百种转录因子，它们可分为活性型与无活性型，通过活性和无活性之间的转换来调控基因表达。

这些转录因子的研究不仅有助于理解基本的遗传调控机制，更可以为抗生素和其他制药领域的研究提供启示。

除了基因调控，基因突变对生物体的发展也具有至关重要的作用。

大肠杆菌是基因突变研究中最重要的模式生物之一。

该菌能够迅速适应变化的环境，其中突变起着关键作用。

基因突变研究有助于说明突变和遗传进化之间的联系，并且对肿瘤学等预后的预测也有很大帮助。

代谢途径研究代谢途径是维持生命活动的基础。

大肠杆菌是代谢途径研究中的经典模型。

代谢途径研究能够开发新型生物合成途径以及解决能源和环境问题。

下面介绍大肠杆菌的一些代谢途径研究。

1. 糖代谢途径糖代谢是维持生命活动最重要的能源来源。

大肠杆菌是消化道中糖的主要分解细菌之一。

葡萄糖是大肠杆菌中最重要的源。

研究表明，糖代谢途径涉及的基因有许多存在多态性，这在基因工程中具有重要作用。

2. 丙酮酸循环途径丙酮酸循环途径是维持能量平衡的重要途径。

丙酮酸循环途径的研究可以为治疗糖尿病等代谢性疾病提供启示。

3. 核苷酸代谢途径核苷酸是序列途径和代谢途径的基础。

这些分子参与了DNA和RNA的合成，他们也是许多药物的靶标。

许多细菌包括大肠杆菌都能代谢核苷酸。

大肠杆菌发酵生产l-色氨酸的研究
l-色氨酸是一种重要的有机化合物，具有大量应用价值，即可作为兽药制剂剂型的基础，也可做为磷脂酰肌醇单元来承载细胞激素，同时具有重要的生物有效性，可作为肌肉组织保护剂、抗骨质流失剂等。

为了解决医药工业需求的增长，有效开发生产l-色氨酸的技术方案是迫在眉睫的问题。

近年来，研究人员借助大肠杆菌发酵的方式对l-色氨酸的生产进行了探索。

其中，利用菌株工程技术向大肠杆菌中植入表达l-色氨酸的基因是实现大肠杆菌发酵生产l-色氨酸的关键技术。

另外，研究者们在工艺参数方面也做出了努力，如尝试各种发酵梯度、进步多步次发酵等，以期最大化发酵效率。

此外，加入多种培养液补充剂也非常有助于加速发酵过程，如糖和氨基酸等。

同时，根据电子隐形色谱的结果确定l-色氨酸的产出也是生产过程的关键。

因为一般来说，l-色氨酸产出低于其他相关产物，所以研究者们需要合理操作、改进发酵参数来提高l-色氨酸的产出率。

总之，大肠杆菌发酵生产l-色氨酸是充分考虑发酵参数、改进工艺方案以及利用现有技术，从而实现可持续、可控、高效的新型发酵技术。

只有把这些元素完美结合起来，才能使大肠杆菌发酵生产l-色氨酸的研究取得实效。

基于LC-MS/MS法的色氨酸合成代谢组学分析平台的构建农产品加工及贮藏工程， 2010，硕士【摘要】随着微生物法生产色氨酸研究的不断进展,利用微生物生产色氨酸已经走向实用并且处于主导地位。

为了进一步提高色氨酸的产量,微生物代谢组学便应运而生。

微生物代谢组学研究涉及到对大量代谢物同时进行定性和定量分析,这就要求建立一个能够分析代谢网络中代谢流的变化以检验分子改造效果的技术平台。

本文通过对一系列液相色谱和质谱参数进行优化,建立了色氨酸合成代谢组学LC-MS/MS分析方法;将此分析方法应用于E. coli代谢组学样品前处理关键步骤的考查,从而优化出最佳的前处理方法,建立色氨酸合成代谢组学的分析平台;利用此平台对E. coli发酵后期代谢流和代谢节点进行分析。

主要结论如下:1.建立了一种快速、准确的同时测定大肠杆菌(E. coli)24种胞内代谢中间产物的液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)分析方法。

样品经Waters Atlantis HILIC silica色谱柱分离,以乙腈-10 mM/L乙酸铵水溶液为流动相进行梯度洗脱,流速为250μL/min。

电喷雾负离子(ESI-)模式电离,多反应监测模式(Multiple reaction monitoring,MRM)监测,基质标准溶液法定... 更多还原【Abstract】 With the progresses of research on tryptophanproduction from microbial, the use of microorganisms to produce tryptophan was more practical and dominant. Microbialmetabonomics came into being in order to further enhance the production of tryptophan. Microbial metabolomics involves the simultaneous identification and quantification of a large number of metabolites. which required us to establish the technology platform for the analysis of changes in metabolic flux in order to test the effect of ... 更多还原【关键词】代谢组学；大肠杆菌；高效液相色谱-串联质谱；淬灭；洗涤；提取；代谢流分析；【Key words】Metabonomics；E. coli；High performance liquid chromatography tandem mass spectrometry(HPLC-MS/MS)；quenching；washing；extraction；metabolic flux analysis；摘要 3-4Abstract 41 前言 7-131.1 微生物代谢组学与研究方法 7-81.2 微生物代谢组学样品前处理研究概况 8-91.2.1 菌体培养 81.2.2 快速取样 81.2.3 淬灭 8-91.2.4 胞内代谢物的提取 91.3 微生物代谢组学分析平台研究概况 9-111.3.1 气质联用(GC-MS) 9-101.3.2 液质联用(LC-MS) 101.3.3 毛细管电泳质谱联用(CE-MS) 101.3.4 核磁共振(NMR) 10-111.4 本课题立体依据和意义 11-121.5 本课题研究内容 12-132 材料与方法 13-162.1 实验材料 132.1.1 试剂 132.1.2 设备与仪器 132.2 实验方法 13-162.2.1 分析检测 13-142.2.2 供试菌株及培养条件 142.2.3 样品前处理 14-163 结果与讨论 16-443.1 LC-MS/MS 分析方法的建立 16-253.1.1 高效液相分析条件的选择 16-193.1.2 质谱分析条件的选择 19-213.1.3 各代谢物检测的线性关系、线性范围及检测限 21-22 3.1.4 各代谢物的加标回收率和精密度 22-243.1.5 实际样品分析 24-253.2 样品前处理方法的建立 25-393.2.1 样品淬灭方式的选择 25-283.2.2 菌体洗涤溶液的选择 28-313.2.3 代谢物不同提取方法的比较 31-333.2.4 进样和提取方法的重复性 33-353.2.5 细胞破碎方法的选择 35-373.2.6 液氮冻融法冻融次数的考察 37-383.2.7 样品浓缩对代谢物稳定性的影响 383.2.8 冷甲醇法的基体效应及质谱响应线性 38-393.3 代谢通量分析 39-443.3.1 大肠杆菌合成L-色氨酸的代谢流平衡模型的建立40-423.3.2 代谢网络中重要节点的比较分析 42-444 结论 44-45致谢 45-47参考文献 47-52。

大肠杆菌L-丝氨酸吸收途径的改造及代谢分析大肠杆菌L-丝氨酸吸收途径的改造及代谢分析概述：大肠杆菌（Escherichia coli）是一种常见的肠道菌，也是一类重要的研究模式微生物。

该菌株的代谢途径及调控机制在科学界引起了广泛的关注。

其中，L-丝氨酸（L-serine）是一种重要的氨基酸，参与多种生物合成和代谢过程。

本文将探讨大肠杆菌L-丝氨酸吸收途径的改造以及其代谢分析。

一、L-丝氨酸在代谢途径中的重要性L-丝氨酸在生物体内发挥着重要的功能。

例如，在蛋白质合成中，L-丝氨酸是蛋白质的重要组成部分之一。

此外，L-丝氨酸还参与核酸和同型半胱氨酸等物质的生物合成过程。

因此，研究L-丝氨酸吸收途径的改造以及其代谢分析对于理解大肠杆菌的基础生物学以及其应用具有重要意义。

二、L-丝氨酸吸收途径的改造大肠杆菌能够通过L-丝氨酸转运蛋白（SerT）吸收外源性的L-丝氨酸。

基因工程技术的发展为改造大肠杆菌的吸收途径提供了便利。

以SerT基因为靶点，科研人员通过改造其表达量以及结构来提高菌株对L-丝氨酸的吸收效率。

首先，通过引入多个复制子，增加SerT基因的拷贝数，可以提高蛋白的表达量。

研究表明，增加SerT的拷贝数能够显著提高大肠杆菌对L-丝氨酸的吸收速率。

此外，经过多次筛选，科研人员也获得了对L-丝氨酸吸收能力更强的突变株。

这些突变株中的SerT蛋白结构发生了变化，使得其对L-丝氨酸具有更高的亲和力。

另一方面，通过改造L-丝氨酸转运蛋白以外的相关代谢途径，也能够影响大肠杆菌对L-丝氨酸的吸收能力。

例如，在L-丝氨酸生物合成途径中的关键酶或调控相关基因的突变，会导致大肠杆菌细胞内L-丝氨酸的浓度发生变化。

这进一步影响到大肠杆菌对L-丝氨酸的吸收。

三、L-丝氨酸代谢分析为了更好地了解大肠杆菌对L-丝氨酸的代谢过程，科研人员进行了代谢分析。

基于代谢工程学的理论和方法，研究人员通过测定L-丝氨酸的吸收速率、细胞内代谢物的浓度以及相关酶活性，揭示了大肠杆菌在L-丝氨酸代谢中的动态变化。

大肠杆菌的代谢和转录分析研究大肠杆菌常被用于研究细菌代谢和基因表达，因为它具有较小的基因组、易操纵和丰富的遗传工程操作。

对于大肠杆菌的代谢和转录分析研究，可以从以下几个方面入手。

一、代谢物分析代谢物是反映细胞内代谢情况的反应产物，对于了解代谢通路和细胞生理状态具有重要意义。

大肠杆菌代谢物表征可通过质谱等技术实现。

传统水平上，可采用GC-MS技术来进行代谢物分析。

这种方法可对代谢物进行鉴定和定量。

但要求样品纯度高，分析周期久。

现在流行的是NMR技术，这是一种可获得全谱的方法，在代谢组学研究中具有重要应用。

可对样品进行分析、识别和定量，其优点是不需要提前分離样品，解决了样品制备难题。

二、蛋白质组学与代谢物类似，研究细胞内蛋白质水平的变化对探究其代谢通路的特点有很大作用。

目前蛋白质组学技术中，蛋白质组学技术有三种：比较蛋白质组学、功能蛋白质组学和亚细胞蛋白质组。

其中质谱是常用的分析方法之一。

基于质谱，利用蛋白比对和蛋白定位技术，可以获得蛋白质组的全局图谱。

对照着代谢物表征结果，可以在生化通路上更直接的了解大肠杆菌的代谢基础。

三、转录组学转录组学研究主要是关于基因的功能和表达，也可以加深对大肠杆菌代谢通路的认识。

全转录组测序（RNA-Seq）是目前研究转录组学最常用的方法。

这种方法可直接从RNA样品收集数据，并进行筛选和分析。

RNA-Seq具有细粒度和灵敏度高的优势，可更准确地检测个体基因表达或转录水平，发现潜在的稀有转录本、环状RNA及RNA编辑等。

RNA-Seq技术发展了约10年，已应用到大肠杆菌的数百个实验研究中。

在研究代谢通路时，RNA-Seq技术是很重要的技术手段。

总之，大肠杆菌的代谢和转录分析研究, 是对细菌代谢和基因表达规律的认知，对于细菌的生理行为、疾病机理、新药研发等方面有很大的帮助。

随着技术的不断提高和结合，我们对大肠杆菌的认识与理解必将逐步深入。

大肠杆菌的代谢途径与转化研究大肠杆菌是最广泛研究的微生物之一，因为它是人和其他动物肠道内的主要菌群之一，也是实验室研究的模式生物。

这种细菌有多种生存策略，其中大部分与环境中的碳源、氮源和能量有关。

在代谢途径方面，大肠杆菌是一种多种同化和异化途径都能利用的革兰氏阴性菌。

同化代谢是细胞利用外源营养物质的过程。

大肠杆菌能利用多种碳源，包括葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖和甘露糖等。

其中，葡萄糖是大肠杆菌生长最快的碳源，因为它可以直接通过糖类通道进入细胞，然后被磷酸化和凋分解为各种代谢前体。

果糖和半乳糖则需要经过进一步的酶促反应，而乳糖和甘露糖则需要先通过特殊的酶或转座子酶将它们转化为其他碳水化合物，然后再进一步代谢。

异化代谢是利用内源储备物质或有机和无机化合物为能量和碳源的过程。

大肠杆菌能利用多种有机和无机化合物进行异化代谢。

其中最重要的是氧化还原性物质，包括有机物的电子供体和供体，以及无机典型物质的氧化还原能力。

如氨作为主要的氮源，通过氨酸代谢通路进入异化代谢，并转化为蛋白质等有机物。

同样，一些能源物质（例如丙酮酸、吡喃酮、大黄酸、1,2-丙二醇和乙酸等）也可以被氧化还原反应转化为二氧化碳和水，并释放出能量，进而储存为三磷酸腺苷。

除了代谢途径外，转化也是大肠杆菌研究的重点之一。

转化是指细菌通过从外部环境中吞噬和充分利用外源DNA的过程。

大肠杆菌不仅自身可以进行转化，还可以作为工具用于转导和克隆基因等技术的研究。

在自身转化中，大肠杆菌主要依靠DNA食物和受体蛋白来实现。

菌体表面上有一些蛋白质，可以将外源DNA转移至受体蛋白，之后将DNA留在菌体内部进行重组和修复。

约翰·C·桑普森首次提出了菌体表面受体蛋白的概念，将其作为DNA受体启动转化过程。

虽然大肠杆菌是一种常见的无害微生物，但它仍能造成医疗保健相关感染。

研究大肠杆菌的代谢途径与转化机制，有助于理解其繁殖、适应和产生病理学特征的方式，以更好地防范和治疗相关感染。

通过代谢组学技术研究大肠杆菌发酵代谢途径在很多实验室里，大肠杆菌（Escherichia coli）是最常用的模式生物之一。

因为它具有很高的生长速度、相对简单的代谢途径和基因修饰便利性等特点。

然而，对于复杂代谢途径的研究和优化，传统方法已经无法满足研究需要。

因此，为更好的了解大肠杆菌代谢途径的变化及其对生存环境的响应，研究者采用了代谢组学技术。

代谢组学是研究生物化合物与功能的科学技术。

这一技术利用高通量仪器对生物组织和生化液体进行分析，关注基于特定代谢途径的几千个代谢产物。

代谢组学技术在大肠杆菌代谢途径的研究中得到了广泛应用。

研究代谢组学的关键，是利用先进的生物技术对生物的代谢产物进行系统、快速、准确的分析。

近年来，气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）是居于代谢组学领域中最先进的技术之一，这一技术利用一系列化学试剂对样本进行预处理，并将分子结构从母离子到碎裂离子级别分离。

通过分析样品各成份比例变化，可以了解它们所代表的功能变化及其代谢途径的详细情况。

对于大肠杆菌代谢途径的研究来说，使用代谢组学技术可以使研究者更好地了解大肠杆菌的代谢通路，并精确地定位问题所在。

举个例子，研究者使用代谢组学技术分析大肠杆菌在同样生长条件下的代谢通路变化情况，找到了参生酸代谢通路中两个致病基因的变化。

这是具有关键意义的发现，为进一步研究大肠杆菌在惰性代谢状态下的调控机理提供了新思路。

除了在生物研究领域中实用性外，代谢组学技术在其他行业中也有广泛应用。

在医药领域，代谢组学技术可以用于药物代谢途径的研究，由此使药物疗效去除了毒副作用。

因此，代谢组学技术也逐渐成为生物科技领域的基础分析技术之一。

总之，代谢组学技术是一种揭示代谢途径的先进技术。

在大肠杆菌代谢途径的研究中，它具有着巨大的优势。

通过代谢组学技术，研究者可以更清晰地了解大肠杆菌代谢通路的变化，找到问题所在。

同时，由于代谢组学技术在生物科技领域中的广泛应用，对于其他行业也具有重要意义。

2021年4月第31卷㊀第4期中国比较医学杂志CHINESE JOURNAL OF COMPARATIVE MEDICINEApril,2021Vol.31㊀No.4王丽群,庞日朝,胡晓敏,等.肠道菌群对色氨酸代谢的影响研究进展[J].中国比较医学杂志,2021,31(4):129-136.Wang LQ,Pang RZ,Hu XM,et al.Research progress on the effect of gut microbiota on tryptophan metabolism [J].Chin J Comp Med,2021,31(4):129-136.doi:10.3969/j.issn.1671-7856.2021.04.019[基金项目]国家自然科学基金项目(81973927)㊂[作者简介]王丽群(1994 ),女,硕士研究生,研究方向:脊髓损伤康复的临床及基础研究㊂E-mail:1184311372@ [通信作者]张安仁(1964 ),男,教授,研究方向:脊髓损伤康复的临床及基础研究㊂E-mail:1518526780@肠道菌群对色氨酸代谢的影响研究进展王丽群1,庞日朝2,胡晓敏1,叶佳美1,张安仁3∗(1.成都中医药大学养生康复学院,成都㊀610075;2.西部战区总医院康复医学科,成都㊀610083;3.同济大学附属上海市第四人民医院康复医学科,上海㊀200434)㊀㊀ʌ摘要ɔ㊀肠道菌群作为一个复杂的微生态系统,与宿主建立了密切联系,在调节与营养㊁免疫系统激活和宿主防御相关的生理功能中起着核心作用㊂肠道菌群与宿主之间相互作用的主要方式之一是通过代谢产物㊂色氨酸(tryptophan,TRP)作为一种必需氨基酸,参与体内多种生理功能,影响人体的生长和健康㊂TRP 代谢的异常与许多疾病有关㊂肠道菌群产生的TRP 分解代谢物是微生物群落以及宿主-微生物之间相互作用的重要信号分子,在维持健康和疾病发病机理中具有重要作用㊂通过系统阐述肠道菌群的分类和功能,肠道菌群对TRP 代谢途径及其相关疾病影响的研究,以及肠道菌群影响TRP 代谢的潜在机制,为疾病发病机制和治疗等临床研究提供新的视角㊂ʌ关键词ɔ㊀肠道菌群;色氨酸代谢;犬尿氨酸;5-羟色胺ʌ中图分类号ɔR-33㊀㊀ʌ文献标识码ɔA㊀㊀ʌ文章编号ɔ1671-7856(2021)04-0129-08Research progress on the effect of gut microbiota on tryptophan metabolismWANG Liqun 1,PANG Rizhao 2,HU Xiaomin 1,YE Jiamei 1,ZHANG Anren 3∗(1.School of Health and Rehabilitation,Chengdu University of Traditional Chinese Medicine,Chengdu 610075,China.2.Department of Rehabilitation Medicine,the General Hospital of Western Theater Command,Chengdu 610083.3.Department of Rehabilitation Medicine,Shanghai Fourth Peopleᶄs Hospital Affiliated to Tongji UniversitySchool of Medicine,Shanghai 200434)㊀㊀ʌAbstract ɔ㊀As a complex microecosystem,the gut microbiota has a close relationship with the host and plays a central role in regulating physiological functions related to nutrition,immune system activation and host defense.Tryptophan(TRP),an essential amino acid,must be obtained from the diet.TRP participates in a variety of physiological functions and affects the growth and health of the human body.Abnormal TRP metabolism has been associated with many diseases.One of the main ways in which the gut microbiota interacts with the host is through metabolites.Tryptophan catabolitesproduced by gut microbiota are important signaling molecules in the microbial community and in host-microbe crosstalk,and play an important role in physiological and pathological processes.This study describes research progress on the classification and function of gut microbiota,the influence of gut microbiota on TRP metabolic pathways and related diseases,and the potential mechanism of these effects,and discusses new clinical research for disease pathogenesis andtreatments.ʌKeywords ɔ㊀gut microbiota;tryptophan metabolism;kynurenine;serotonin㊀㊀肠道是一个复杂的微生态系统,拥有一个密集而多样的微生物群落,称为肠道菌群,该菌群与宿主共同进化以建立相互关系㊂肠道菌群被认为是一种虚拟内分泌器官,产生的分子能够与宿主生理相互作用并触发局部和全身反应,宿主-微生物群的生物串扰是疾病发病机理的主要因素[1-2]㊂研究表明,大量的代谢物能够驱动宿主与其微生物组之间的串扰㊂色氨酸(tryptophan,TRP)是一种必需氨基酸,必须从饮食中获取㊂饮食中缺乏TRP会损害肠道免疫力并改变肠道微生物群落[3],TRP代谢对肠道菌群起着重要的调节作用,因此TRP作为宿主微生物串扰中的关键必需氨基酸,受到越来越多的关注㊂同时,肠道菌群也会对TRP的代谢产生重要影响,表明肠道菌群与TRP代谢之间的相互作用影响宿主的全身稳态㊂本文主要阐述了肠道菌群的分类和功能,肠道菌群对TRP代谢影响及相关疾病的研究,为疾病发病机制和治疗等临床研究提供新的视角㊂1㊀肠道菌群的分类和功能肠道菌群是个庞大复杂的群体,种类达500种,细菌总数达100万亿㊂肠道菌群主要是由厌氧兼性厌氧菌和需氧菌组成,其中厌氧菌占99%以上[4]㊂在人体肠道微生物群落中,目前已发现的细菌有9个门,包括厚壁菌门(Firmicutes)㊁拟杆菌门(Bacteroidetes)㊁变形菌门(Proteobacteria)㊁放线菌门(Actinobacteria)㊁梭杆菌门(Fusobacteria)㊁疣微菌门(Verrucomicrobia)㊁蓝细菌(Cyanobacteria)㊁螺旋体门(Spirochaeates)和VadinBE97菌门,其中最主要的是厚壁菌门和拟杆菌门㊂肠道是细菌最佳的营养环境,正常情况下,肠道菌群㊁宿主与外部环境建立起一个动态平衡,肠道菌群的种类和数量是相对稳定的,但会受到年龄㊁性别㊁药物㊁饮食等多种因素的影响而发生改变,引起肠道菌群失调㊂肠道微生物群在免疫发育和活动㊁代谢和营养稳态㊁大脑功能和行为等多个方面对宿主具有重要意义[5]㊂其中对胃肠道代谢物的合成㊁消化㊁发酵和次级代谢的调节是肠道微生物群的基本功能之一㊂大量与肠道微生物相关的胃肠道代谢物具有生物活性并影响宿主细胞的分化㊁迁移㊁增殖和凋亡过程,从而对宿主产生多种生理或病理作用,表明代谢物能够驱动宿主与其微生物组之间的串扰[6]㊂目前研究主要涉及宿主-微生物群相互作用的代谢物有:一,短链脂肪酸,由纤维发酵产生的细菌产生;二,胆汁酸,在影响宿主之前被肠道微生物转化;三,色氨酸代谢㊂其中色氨酸代谢是本文阐述的重点,色氨酸代谢产物胃肠道和外周中都发挥着重要作用,而肠道菌群影响着色氨酸代谢㊂2㊀色氨酸的代谢途径TRP除了在体内被用于合成蛋白质之外,在胃肠道中主要遵循三种代谢途径:犬尿氨酸途径㊁5-羟色胺途径和微生物代谢途径㊂2.1㊀犬尿氨酸途径机体内约有95%的TRP通过犬尿氨酸途径被代谢为犬尿氨酸(kynurenine,KYN)[7]㊂KYN的产生依赖于肝细胞中的色氨酸2,3-双加氧酶(tryptophan2,3-dioxygenase,TDO)和存在于其他细胞中的引哚胺2,3-双加氧酶(indoleamine2,3-dioxygenase,IDO)[8]㊂TDO可以由糖皮质激素或TRP本身诱导,而IDO受某些炎症因子刺激的影响,如肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor-alpha, TNF-α)㊁干扰素g(interferon-g,IFN-g)㊁干扰素γ(interferon gamma,IFN-γ),其中IFN-γ是最有效的诱导剂[9]㊂KYN一旦产生,便会通过两种不同的途径进一步代谢:犬尿酸途径和喹啉酸途径㊂KYN在犬尿酸途径中被犬尿氨酸氨基转移酶催化转氨生成犬尿酸并随尿排出㊂在喹啉酸途径中,KYN首先被犬尿氨酸羟化酶羟化生成3-羟基犬尿氨酸,进而被3-羟基邻氨基苯甲酸3,4-双氧化酶催化形成喹啉酸或吡啶甲酸等代谢物[10]㊂喹啉酸被认为是一种兴奋性N-甲基D-天冬氨酸(N-Methyl-D-aspartic acid,NMDA)受体激动剂,具有神经毒性,而犬尿酸则是一种神经保护性NMDA拮抗剂和a7烟碱胆碱能激动剂[11]㊂2.2㊀5-羟色胺途径5-羟色胺(serotonin,5-HT)又名血清素,因此TRP代谢的5-羟色胺途径又被称为血清素途径㊂大约1%~2%的TRP在色氨酸羟化酶(tryptophan hydroxylase,TPH)的作用下被羟化生成5-羟色氨酸(5-Hydroxytryptophan,5-HTP)[12],TPH主要以两种亚型存在:色氨酸羟化酶1(tryptophan hydroxylase 1,TPH1)和色氨酸羟化酶2(tryptophan hydroxylase 2,TPH2),TPH1主要存在于肠道肠嗜铬细胞㊁脾脏㊁松果体和胸腺中,TPH2完全存在于神经元细胞中[13]㊂5-HTP进而在芳香羧酸脱羧酶的作用下脱羧后形成5-HT,5-HT通过单胺氧化酶和醛脱氢酶转化为最终产物5-羟吲哚乙酸(5-hydroxyindolaceticacid,5-HIAA),可在尿液中迅速排出[14]㊂5-HT主要由胃肠道中的肠嗜铬细胞产生,是一种重要的胃肠道信号分子,它将信号从肠道传递到内在或外在的神经元,并影响肠道蠕动和运动㊁分泌㊁血管扩张和营养物质的吸收[15]㊂2.3㊀微生物代谢途径虽然大多数TRP都在小肠中被消化吸收,但是部分TRP仍可以到达结肠,并被结肠中的多种共生菌群降解㊂吲哚是TRP的主要细菌分解产物,在色氨酸酶的分解下形成㊂色氨酸酶在大肠杆菌㊁梭状芽孢杆菌㊁霍乱弧菌㊁变形杆菌㊁志贺氏菌和粪肠球菌等多种肠道微生物中均有表达[16]㊂吲哚吸收后被氧化成吲哚基,与硫酸盐偶联形成吲哚酚硫酸盐,并以尿的形式排出体外[17]㊂肠道微生物通过其他各种途径将TRP转化色胺㊁吲哚-3-丙酸(indolepropionic-3-acid,IPA)㊁吲哚乳酸(indolelactic acid,ILA)㊁吲哚-3-乙酸(indoleacetic-3-acid,IAA)㊁吲哚-3-醛(indole-3-aldehyde,IAld)㊁吲哚丙烯酸(indoleacrylic acid,IA)和粪臭素等㊂3㊀肠道菌群对色氨酸代谢及其相关疾病的影响3.1㊀犬尿氨酸途径越来越多的研究报告了肠道菌群对色氨酸犬尿氨酸代谢途径及其相关疾病的影响㊂在没有肠道菌群或菌群失调的情况下,血浆中TRP的浓度会增加,犬尿氨酸途径代谢减少,从而导致犬尿氨酸/色氨酸含量(KYN/TRP)比值降低,但在菌群移植后会使血浆中的TRP和犬尿氨酸途径的代谢正常化,从而对各种疾病产生重要影响㊂研究发现抑郁症患者的肠道菌群会发生改变,血浆中TRP浓度降低,这与IDO活性增强有关,神经毒性喹啉酸增加和神经保护性犬尿酸减少,KYN/ TRP比值的增加,而益生菌可重塑抑郁症患者的肠道菌群并影响犬尿氨酸代谢途径㊂Desbonnet等[18]使用婴儿双歧杆菌治疗抑郁症大鼠14d后,显著增加了血浆TRP浓度和犬尿酸/犬尿氨酸比值,降低了KYN/TRP比值和IDO活性,同时还导致额叶皮层中5-HIAA浓度的降低,表明双歧杆菌使犬尿氨酸途径中IDO活性降低,血浆TRP的可用性增加,在该途径下游进一步产生神经保护性犬尿酸的趋势增加㊂最近,Rudzki等[19]将60名重度抑郁症患者随机分配到一项干预8周的安慰剂对照试验中, 30名患者接受益生菌植物乳杆菌229v(LP299v)治疗,另外30名患者接受安慰剂治疗,结果显示益生菌LP299v降低了重度抑郁症患者血浆中的KYN浓度和增加了3-羟基犬尿氨酸/犬尿氨酸比值,并且益生菌LP299v改善了患者的认知能力㊂Kazemi 等[20]对抑郁症患者进行益生菌(瑞士乳杆菌和长双歧杆菌)和安慰剂干预8周后也得到类似结果,与安慰剂组相比,益生菌组的KYN/TRP比值显著降低,并且抑郁症状得到缓解㊂神经退行性疾病中犬尿氨酸代谢途径的激活导致犬尿氨酸失衡,进而产生神经毒性代谢产物,神经毒性和神经变性的升高,而肠道菌群会影响犬尿氨酸代谢途径㊂多发性硬化症(MS)是中枢神经系统的自身免疫性疾病,与脱髓鞘和神经元丢失有关,犬尿氨酸途径产生神经保护性和神经毒性代谢产物(如喹啉酸)可影响MS㊂在MS研究进展中,犬尿氨酸途径的激活很可能是由于促炎细胞因子(如TNF-α和IFN-g)从而促进IDO-1表达㊂在MS的实验性变态反应性脑脊髓炎(EAE)模型中,观察到大鼠血清中喹啉酸和KYN/TRP比值的水平显着升高,并且这些水平与疾病严重程度的增加相关[21]㊂阿尔茨海默氏病(AD)也与犬尿氨酸途径有关,特别是与喹啉酸相关的炎症因子导致IDO-1和TDO 的表达增加,进而导致犬尿氨酸代谢途径激活和喹啉酸的积累[22]㊂研究发现,肠道微生物群可以影响神经细胞小胶质细胞以调节喹啉酸产生[23],喹啉酸是兴奋毒性NMDA受体激动剂,而NMDA受体的表达也受肠道微生物群的调节,表明肠道微生物群可能潜在地影响犬尿氨酸代谢途径并影响相关神经退行性疾病㊂3.2㊀肠道菌群对5-HT途径的影响肠道菌群对5-HT的TRP代谢也具有重要影响㊂很多细菌菌株都能在体外从TRP中产生5-HT,这些菌株包括大肠杆菌㊁植物乳杆菌(FI8595)㊁嗜热链球菌㊁摩根杆菌㊁肺炎克雷伯氏菌和哈夫尼亚菌等[24-25]㊂5-HT主要在肠道中合成,肠道微生物群是肠道5-HT产生的主要参与者,这已在GF小鼠中得到证实,与常规SPF小鼠相比,GF小鼠的结肠和血清中的5-HT含量显着降低,并且在整个远端结肠和近端结肠中均可观察到,而在小肠中则没有,这表明微生物群在调节结肠5-HT中具有特殊作用[26]㊂同时,5-HT参与情绪㊁行为和认知功能的调节㊂肠易激综合征(irritable bowel syndrome,IBS)是一种慢性反复发作的肠道疾病,5-HT在调节肠胃蠕动㊁分泌和感觉中起着关键作用,有证据表明,IBS 与肠道5-羟色胺能神经元信号不足有关[27]㊂Jalanka-Tuovinen等[28]研究表明IBS患者的肠道菌群多样性发生了改变,并显示出健康对照者和IBS 患者之间以及IBS患者亚组之间的微生物群组成差异㊂尽管IBS的病因学尚不清楚,但至少在某些亚组患者中,怀疑致病菌肠道菌群在IBS发病机理中的作用㊂在中枢神经系统中,5-HT参与情绪㊁行为和认知功能和精神疾病㊂使用急性色氨酸耗竭技术研究5-HT对情绪的影响,其中降低饮食中色氨酸的水平会导致脑部5-HT水平的降低,从而可以分析5-HT依赖性行为[29]㊂同时,肠道菌群影响焦虑和抑郁相关的行为㊂Bravo等[30]研究发现,与对照喂养的小鼠相比,鼠李糖乳杆菌的慢性治疗诱导了皮质海马和杏仁核中GABA受体的改变,同时还降低了应激诱导的皮质酮水平以及与焦虑和抑郁相关的行为㊂肠道菌群对焦虑和抑郁相关行为的影响越来越明显,对TRP和5-HT代谢影响的也越来越重要,提示肠道菌群可能通过调节TRP和5-HT对焦虑和抑郁产生影响㊂3.3㊀微生物代谢途径肠道菌群能够直接代谢色氨酸并改变其宿主中色氨酸的可用性㊂肠道菌群可以将TRP直接代谢为色胺㊁粪臭素㊁IPA㊁IAA㊁IAd和ILA等代谢产物,这些细菌色氨酸分解代谢物是芳香烃受体(AHR)的配体,AHR与AHR配体结合可以刺激下游靶基因的表达,促使肠道菌群中的有益菌胜过致病菌,从而调节宿主肠内和全身稳态,进而对MS和炎性肠病等疾病产生影响㊂Rothhammer等[31]在MS患者的中枢神经系统(central nervous system,CNS)病变中检测到了星形胶质细胞对I型干扰素(type I interferons,IFN-I)的转录反应,AHR激动剂的循环水平降低㊂他们发现通过补充色氨酸代谢产物吲哚㊁硫酸吲哚酚㊁IPA和IAld,可减轻经抗生素治疗的EAE模型小鼠的CNS 炎症㊂进一步研究发现星形胶质细胞中的IFN-I信号传导通过配体激活的转录因子AHR和细胞因子信号传导抑制因子减少炎症和EAE评分㊂这些发现表明,CNS中产生的IFN-I与来自色氨酸的肠道菌群代谢产物结合,可以激活星形胶质细胞中的AHR信号传导并抑制CNS炎症㊂Lamas等[32]在患有炎性肠病的小鼠的微生物群中也观察到AHR配体数量降低,尤其是在缺乏炎性肠病易感基因CARD9的小鼠中㊂CARD9通过增加炎症因子IL-22的产生来促进结肠炎的恢复,而Card9-/-小鼠更易患结肠炎㊂Card9-/-小鼠中的微生物群发生了改变,并且微生物群从Card9-/-小鼠转移至野生型小鼠,Card9-/-小鼠无法将色氨酸代谢为可充当AHR 配体的代谢物㊂用能够代谢色氨酸的乳杆菌菌株或用AHR激动剂治疗小鼠后,肠道炎症减弱㊂4㊀肠道菌群调节色氨酸代谢的潜在作用机制4.1㊀肠道菌群通过影响IDO调节犬尿氨酸途径虽然肠道菌群对色氨酸犬尿氨酸代谢途径机制尚不清楚,但肠微生物群主要是通过多种途径调节犬尿氨酸代谢中IDO的表达和活性㊂肠道菌群可以影响犬尿氨酸途径中酶的活性㊂相比于具有正常肠道菌群的小鼠,无菌(germ-free,GF)小鼠肠道的IDO表达不足[33]㊂Harrington等[34]对IFN-γ基因敲除小鼠和GF小鼠的实验表明,IFN-γ基因上调依赖于正常的共生菌群,由于IFN-γ是IDO最有效的诱导剂,因此在小鼠肠道菌群的定植后IDO表达的增加㊂Clarke等[35]发现GF小鼠的血浆中KYN/TRP比值降低,但是将断奶(3周龄)后的GF 小鼠从GF设施中移出,然后在饲养常规小鼠的笼子中生长至8~9周龄,以达到定植正常菌群的目的,结果发现菌群定植小鼠的KYN/TRP比值可恢复至正常水平㊂其他学者报道了小鼠菌群定植后的第4天和第30天血浆[36]KYN浓度和KYN/TRP 比值都有相似程度的增加㊂然而,并非所有细菌均能促进IDO活性的活性㊂有研究团队对自发性自身免疫性糖尿病(BioBreeding diabetes-prone, BBDP)大鼠喂养约翰逊氏乳杆菌后发现,约翰逊氏乳杆菌抑制了IDO的活性,同时BBDP大鼠的血清KYN浓度降低,该研究团队认为约翰逊氏乳杆菌让回肠中过氧化氢(H2O2)浓度升高可能是抑制IDO 活性的原因[37]㊂这与Gao等人[38]的报告一致,约翰逊氏菌定植后IDO活性降低的主要机制是回肠腔内H2O2的产生增多,H2O2充当信号分子,并通过影响宿主-菌群共生相互作用来抑制IDO的活性㊂另一项研究[39]发现H2O2可以通过激活过氧化物酶以诱导蛋白质氧化并抑制IDO活性㊂Moloney等[40]通过比较常规小鼠㊁GF小鼠和菌群移植小鼠海马体中的miRNA,显示微生物群调节与犬尿氨酸途径代谢相关的miRNA的表达,并证明肠道菌群调节海马体中犬尿氨酸途径基因的表达㊂REGA3是胃肠道内的一种抗菌蛋白,它能够影响肠道菌群的组成,从而增加乳酸杆菌的数量㊂最近,有研究报道[41],由REGA3增加的乳酸杆菌可能通过产生鸟氨酸上调肠道上皮细胞中的IDO1以产生KYN㊂4.2㊀肠道菌群通过影响TPH调节5-HT途径研究报告了肠道微生物群调节5-HT的潜在机制,肠道菌群可能通过TPH影响5-羟色胺途径㊂研究发现,相比于无特定病原体(specific pathogen free,SPF)小鼠,GF小鼠的肠道肠嗜铬细胞在形态上更大,提示肠道微生物可能会影响肠嗜铬细胞的发育和功能[42],而肠嗜铬细胞主要表达TPH1,因此肠道菌群可能通过调节肠嗜铬细胞中TPH1的表达来响应细菌起源的各种生化物质,从而影响5-HT 的合成㊂Sjögren等[43]发现,尽管结肠和血清中5-HT水平不足,但GF小鼠粪便和血清中的TRP (TPH1的底物)水平显著增加,这表明宿主TPH1表达的中断导致了TRP的积累㊂Yano等[26]进一步研究发现,口服TPH1的产物5-羟色氨酸(5-HTP)可充分缓解GF小鼠结肠和血清5-HT表达的不足,而补充TPH1的底物TRP则无恢复5-HT的表达,表明微生物群通过提高结肠肠嗜铬细胞中TPH1的表达来促进5-HT的合成㊂为进一步研究肠道菌群影响5-HT产生的机制,研究者将GF小鼠结肠中脱氧胆酸的腔内浓度提高到SPF小鼠的水平,发现可以增加结肠和血清中的5-HT,因此他们认为肠道微生物通过将肝脏分泌的胆酸转化为脱氧胆酸进而促进5-HT的产生㊂此外,有研究报道[44],TPH1缺陷型(TPH1-/-)小鼠肠道中的5-HT含量显著降低㊂Kwon等人[45]观察到同窝TPH1-/-和TPH1+/-小鼠之间的肠道微生物组成有显着差异,他们利用离体共生的体外系统评估发现,5-HT在体外以浓度依赖性和物种特异性的方式直接调节共生细菌的生长㊂另一项研究[46]通过实时荧光定量PCR和蛋白质免疫印迹比较GF小鼠㊁常规饲养小鼠和定植了人类肠道菌群(HM)小鼠的近端结肠节段中TPH1 mRNA和蛋白的表达,发现HM小鼠的TPH1mRNA 和蛋白表达均明显高于GF小鼠,同时GF小鼠结肠中5-HT的含量显著低于HM小鼠㊂为了确定TPH1mRNA和蛋白的表达是否对人类肠道肠道菌群具有特异性,还评估了常规饲养小鼠TPH1mRNA和蛋白的表达,发现其TPH1mRNA表达的增加与HM小鼠类似㊂这些研究结果表明,微生物群的缺乏与结肠TPH1表达的降低有关,人体和小鼠肠道微生物群都可以影响5-HT的生物合成途径㊂该研究还在体外人肠嗜铬细胞模型中发现,由远端肠道微生物产生的短链脂肪酸(丁酸和乙酸)能显著提高TPH1mRNA表达,提示肠道微生物通过短链脂肪酸影响肠嗜铬细胞和TPH1,进而促进结肠中5-HT的产生㊂肠道菌群还可能通过5-羟色胺转运蛋白(serotonin transporter,SERT)影响TRP代谢产生5-HT㊂SERT可以促进5-HT被细胞内的单胺氧化酶降解,并维持在体内的正常水平,而在SERT-/-小鼠的血浆中缺乏5-HT[47]㊂最近,Singhal等[48]评估了SERT+/+和SERT-/-小鼠的粪便和盲肠微生物的组成,发现与SERT+/+小鼠相比,SERT-/-小鼠的微生物组群落结构发生了显着变化㊂SERT+/+小鼠具有更多的肠道微生物共存菌群网络,而SERT-/-小鼠的微生物组则由不连续的子网络组成,这表明SERT-/-小鼠的肠道细菌之间的相互作用丧失, SERT缺乏改变了细菌群落结构㊂Golubeva等[49]评估了孤独症谱系障碍的BTBR小鼠模型和C57BL/6小鼠的结肠和回肠组织中5-HT的可用性,相比于C57BL/6小鼠,BTBR小鼠结肠和回肠组织中的5-HT水平降低了50%,且BTBR小鼠的TPH1表达下调和SERT基因表达上调㊂由于TPH的活性决定了TRP产生的5-HT的量,而SERT基因控制着5-HT的摄取和分解,因此研究结果表明5-HT合成的减少和分解的增加,导致BTBR小鼠结肠和回肠中5-HT的生物利用度降低㊂同时,他们发现5-HT在结肠和回肠组织中浓度和可用性与梭状芽孢杆菌属的相对丰度密切相关,而且芽孢杆菌属与TPH1和SERT基因表达水平之间也存在很强的相关性,这证实了梭状芽胞杆菌细菌在TRP产生5-HT中的重要性㊂此外,Hata等[50]发现,在GF小鼠的盲肠和结肠腔内的5-HT水平显著低于SPF小鼠,而且在SPF 小鼠中,大多数5-HT是非结合的游离形式,而在GF 小鼠中,大约有50%的5-HT以葡萄糖醛酸结合形式存在,说明肠道菌群对葡萄糖醛酸结合的5-HT 的去共轭过程可能有助于促进肠腔内游离5-HT的产生㊂另外有研究报道[51],肠道菌群可以通过调节肌间神经丛中的神经元释放5-HT和激活5-HT4受体㊂4.3㊀肠道菌群直接代谢TRP并改变其宿主中TRP的可用性研究表明,肠道菌群能够直接代谢TRP并改变其宿主中TRP的可用性㊂肠道菌群可以将TRP直接代谢为色胺㊁粪臭素㊁IPA㊁IAA㊁IAd和ILA等代谢产物㊂研究发现,萎缩芽孢杆菌C89中非核糖体肽合成酶基因簇之后最下游的芳族L-氨基酸脱羧酶与TRP脱羧形成色胺有关[52]㊂同时,嗜线虫致病杆菌也能代谢TRP产生色胺[53]㊂值得注意的是, Williams等[54]研究发现生孢梭菌能够通过特定的色氨酸脱羧酶将TRP脱羧成色胺㊂Wikoff等[55]研究发现生孢梭菌在培养物中可以产生IPA,于是用生孢梭菌ATCC15579菌株对GF小鼠进行定植,并在定植后每隔一段时间采集血样㊂结果发现在引入微生物后不久的样品中未检测到IPA,在定植后第5天首次在血清中观察到IPA,在第10天达到与正常养殖小鼠相当的水平,这表明将体内能够产生IPA的生孢梭菌定植于胃肠道可以将IPA引入宿主的血液中㊂有学者进一步研究发现[56],通过基因工程阻断生孢梭菌降解TRP的功能后,小鼠血液中的IPA水平降低㊂罗伊氏乳杆菌可以将TRP转化为IAA[57]㊂Wilck等[58]通过16SrDNA基因测序分析了来自正常盐饮食和高盐饮食喂养的小鼠的粪便,发现高盐饮食会改变小鼠的粪便微生物组并消耗乳酸杆菌,同时显著降低粪便中IAA和ILA的含量,而IAld的含量没有发生变化㊂他们进一步分离小鼠粪便发现上述乳酸杆菌为鼠李糖乳杆菌,并且在用鼠李糖乳杆菌分离物单克隆的小鼠粪便中检测到ILA㊁IAA和IAld,而在GF小鼠粪便中则没有,表明鼠李糖乳杆菌具有产生ILA,IAA和IAld的能力㊂最初研究表明,肠道微生物(乳杆菌属㊁普雷沃菌属,梭菌属,放线菌属和巨球藻属等)能通过最接近粪臭素的前体IAA的脱羧作用进行合成粪臭素[59]㊂随着研究的进一步深入,发现肠道微生物能够直接代谢TRP合成粪臭素㊂Whitehead等[60]在培养德雷克氏梭菌和粪味梭菌的常规培养基中补充TRP,到48h观察到粪臭素和IAA的产生,表明这两种细菌均可降解色氨酸形成IAA和粪臭素㊂5㊀总结肠道微生物群对TRP的犬尿氨酸㊁5-HT和微生物代谢途径具有重要影响㊂越来越多的研究表明的TRP代谢许多疾病有关,例如炎症性肠病㊁肠易激综合征㊁神经退行性疾病和精神障碍(焦虑㊁抑郁㊁孤独症等)[61-62]㊂色氨酸代谢物是疾病病理的,因此可进一步开发相关药物,如使用抑制剂来阻止某些途径中的酶,降低神经毒性代谢物水平,同时提高神经保护性代谢产物,进而达到治疗相关疾病的作用㊂同时,肠道菌群在这些疾病中也具有重要作用,表明肠道微生物的作用可能部分地由TRP代谢介导㊂TRP代谢物直接或间接地被肠道菌群控制,表明可以通过多种研究方法来帮助确定肠道菌群对各种疾病的影响,包括使用缺乏菌群的无菌动物㊁益生菌补充剂㊁抗生素管理和粪便移植研究㊂通过益生菌影响肠道菌群的组成来调节TRP代谢可能是一种潜在和有效的治疗方法㊂因此,本文通过系统阐述肠道菌群对TRP代谢途径及其相关疾病的影响,可以对疾病发病机制和治疗等临床提供新的视角㊂然而,由于肠道微生物群-宿主之间相互作用的复杂性以及疾病和模型的复杂性,而且目前大多数研究都是基础研究,因此对肠道菌群通过TRP代谢影响宿主健康的研究仍需进一步深入㊂参考文献:[1]㊀Lavelle A,Sokol H.Gut microbiota-derived metabolites as keyactors in inflammatory bowel disease[J].Nat Rev GastroenterolHepatol,2020,17(4):223-237.[2]㊀Gheorghe CE,Martin JA,Manriquez FV,et al.Focus on theessentials:tryptophan metabolism and the microbiome-gut-brainaxis[J].Curr Opin Pharmacol,2019,48:137-145. [3]㊀Borghi M,Puccetti M,Pariano M,et al.Tryptophan as a centralhub for host/microbial symbiosis[J].Int J Tryptophan Res,2020,13:1178646920919755.[4]㊀Bäckhed F,Ley RE,Sonnenburg JL,et al.Host-bacterialmutualism in the human intestine[J].Science,2005,307(5717):1915-1920.[5]㊀Blacher E,Levy M,Tatirovsky E,et al.Microbiome-modulatedmetabolites at the interface of host immunity[J].J Immunol,2017,198(2):572-580.[6]㊀王晓宇,马富强,张晓宁,等.不可预期应激刺激对大鼠消化道免疫和微生物菌群的影响[J].中国比较医学杂志,2020,30(8):1-9.[7]㊀Cervenka I,Agudelo LZ,Ruas JL,et al.Kynurenines:tryptophan s metabolites inexercise,inflammation,and mentalhealth[J].Science,2017,357(6349):eaaf9794. [8]㊀O Mahony SM,Clarke G,Borre YE,et al.Serotonin,tryptophan metabolism and the brain-gut-microbiome axis[J].Behav Brain Res,2015,277:32-48.[9]㊀Dehhaghi M,Kazemi Shariat Panahi H,Guillemin GJ,et al.Microorganisms,Tryptophan metabolism,and kynurenine。

重组大肠杆菌产 L-色氨酸的补料-分批发酵实验指导书一、实验目的1.通过对L-色氨酸的发酵，了解L-色氨酸的补料-分批发酵的基本过程；2.初步掌握微生物发酵的基本操作。

二、概述和原理L-色氨酸（L-Trp）是含有吲哚的中性芳香族氨基酸，是人和动物生命活动中不可缺少的必需氨基酸之一。

L-色氨酸不仅在营养代谢中起重要作用，而且还广泛应用于医药、食品、饲料等方面，随着市场需求量的日益增加，L-色氨酸具有广阔的应用前景。

早期的 L-色氨酸的生产方法主要依靠化学合成法和蛋白质水解法，但是由于这些方法存在着材料来源有限、周期长、工艺复杂、产品成分复杂等缺点，因而在上世纪 90年代逐渐被淘汰，随着对微生物法生产 L-色氨酸研究的不断深入，微生物法已经走向实用并且处于主导地位，微生物发酵法具有产酸高、成本低、质量好等优势，将是未来大规模生产 L-色氨酸的首选技术。

该法主要是以葡萄糖、甘蔗糖蜜等廉价原料为碳源，利用优良的 L-色氨酸生产菌种来生产 L-色氨酸。

补料-分批发酵，是指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养成分的一种发酵方法，现已经广泛应用于发酵工业。

流加操作的主要特点就是能够调节微生物生长反应环境中营养物质的浓度，可以避免营养成分的初始浓度过高而出现的底物抑制现象，同时也能阻止某些限制性营养成分由于在反应过程中被耗尽而影响微生物的生长和产物的形成。

在发酵生产 L-色氨酸过程中，菌体主要以葡萄糖为碳源，由于在高浓度的葡萄糖条件下，大肠杆菌容易产生乙酸，而当发酵液中乙酸浓度积累到 2 g/L时，菌体将停止生长并且抑制外源基因的表达。

因此本实验需采用补料-分批发酵的方式。

补料培养基加入形式可以分为非反馈补料和反馈补料，非反馈补料主要包括恒速补料、指数补料、逐级提速流加等几种流加形式，而反馈补料根据所选反馈指标的不同可分为恒 pH值法、恒溶解氧法、菌体浓度反馈、CER法、DO-stat法等几种补料方法。

反馈补料由于能够根据反馈的信息及时调整补料的速率和策略，从而能够很好地控制系统的营养浓度，防止营养浓度过高，故在大肠杆菌培养中常被广泛采用。

L-色氨酸研究进展左祖桢;黄钦耿;吴伟斌;蔡爱金;翁雪清;赵燕玉;施巧琴【摘要】色氨酸作为一种必须氨基酸,广泛应用于医药、食品及饲料等方面.随着对色氨酸研究的不断深入,其生产方式也从蛋白水解及化学合成发展到微生物直接发酵等方法.而基因工程等生物技术的发展,使得代谢工程逐渐在色氨酸生产菌种的选育中成为研究热点.综述了色氨酸的生产方式、菌株构建以及应用等方面的研究进展.【期刊名称】《安徽农学通报》【年(卷),期】2010(016)007【总页数】4页(P38-40,106)【关键词】L-色氨酸;生产方式;代谢工程;应用【作者】左祖桢;黄钦耿;吴伟斌;蔡爱金;翁雪清;赵燕玉;施巧琴【作者单位】福建师范大学生命科学学院,福建福州,350108;福建省麦丹生物有限公司福州研究中心,福建福州,350008;福建省麦丹生物有限公司福州研究中心,福建福州,350008;福建省麦丹生物有限公司福州研究中心,福建福州,350008;福建省麦丹生物有限公司福州研究中心,福建福州,350008;福建省麦丹生物有限公司福州研究中心,福建福州,350008;福建省麦丹生物有限公司福州研究中心,福建福州,350008【正文语种】中文【中图分类】Q936色氨酸学名β-吲哚基丙氨酸(β-indolylalanine),首先于 1825年被发现,1892年由Neumeister定名为色氨酸(Tryptophan),1902年由 Hokinst从酪蛋白中分离获得。

其结构:色氨酸有 3种异构体:L型、D型及消旋体 DL型[1]。

消旋体是白色晶体,微溶于水,在碱性溶液中稳定,被强酸分解。

左旋体是片状晶体,无味,熔点289℃(分解),溶于水和热乙醇,不溶于氯仿,在碱性溶液中稳定。

右旋体是白色晶体,有特殊甜味,熔点281～282℃(分解),溶于水、热乙醇和氢氧化碱溶液。

色氨酸(tryptophan,Trp)是一种重要的营养必需氨基酸,只能由微生物或植物合成。

大肠杆菌色氨酸生物合成分支途径调控研究的开题
报告
一、研究背景
大肠杆菌（Escherichia coli）是一种常见的肠道细菌，在科研、医学和工业应用等领域有着广泛的应用。

大肠杆菌色氨酸生物合成分支途径是维生素生物合成的重要途径之一，它起到了很多重要物质的合成和调节作用。

其中，色氨酸是一种重要的氨基酸，在蛋白质合成、细胞代谢和信号传导等方面发挥着重要作用。

因此，深入了解大肠杆菌色氨酸生物合成分支途径调控机制，对于揭示其代谢调节及功能调节作用具有重要意义。

二、研究目的
本研究旨在探讨大肠杆菌色氨酸生物合成分支途径的调控机制，加深人们对该途径的认识，为其在生物制药、生物工程等领域的应用提供理论依据和技术支持。

三、研究内容
本研究主要围绕如下内容展开：
1. 研究宿主中色氨酸生物合成分支途径代谢调节机制；
2. 研究与宿主代谢紧密相关的基因和调控因子，分析它们在色氨酸生物合成分支途径中的作用；
3. 研究外源基因在大肠杆菌中的表达和调控机制，丰富对外源酶在宿主代谢中的应用。

四、研究方法
本研究将采用基因工程技术，结合代谢组学、基因组学、蛋白质组学等分析方法，分析大肠杆菌色氨酸生物合成分支途径的调控机制。

具
体方法包括基因克隆、构建重组质粒、转化细胞、酶活性检测、代谢物定量检测、蛋白质表达分析、基因调控分析等。

五、研究意义
本研究的结果将有助于深入了解大肠杆菌代谢调节机制及其在生物合成中的作用，为开发高效生物合成系统提供有力支持。

此外，本研究结果还有助于提高外源基因表达的效率和产量，推动生物工程领域的研究进展。

大肠杆菌色氨酸生物合成途径关键酶的调控研究于金龙;王静;李剑欣;郭长江;黄英武;徐琪寿【期刊名称】《生物工程学报》【年(卷),期】2008(24)5【摘要】为了通过基因工程手段提高大肠杆菌色氨酸产量, 对色氨酸生物合成途径中的关键基因trpR、tnaA、aroG和trpED进行了改造.首先通过敲除trpR基因解除了基因组上色氨酸合成和转运关键酶受到的反馈阻遏调控, 进而又敲除了tnaA基因, 阻断了色氨酸的分解代谢.然后, 将色氨酸合成途径的关键酶aroGfbr和trpEDfbr基因串联表达, 以去除色氨酸生物合成途径的瓶颈.与对照MG1655相比, trpR基因单敲菌色氨酸浓度提高了10倍, 双敲菌色氨酸浓度提高了约20倍.pZE12-trpEDfbr转入双敲菌后色氨酸浓度提高到168 mg/L, 而将aroGfbr和trpEDfbr转入双敲菌后, 色氨酸浓度提高到820 mg/L.为构建色氨酸高产菌奠定了基础.【总页数】7页(P844-850)【作者】于金龙;王静;李剑欣;郭长江;黄英武;徐琪寿【作者单位】军事医学科学院放射与辐射医学研究所,北京,100850;河南中医学院基础医学院,郑州,450008;军事医学科学院放射与辐射医学研究所,北京,100850;军事医学科学院卫生学与环境医学研究所,天津,300050;中国人民解放军306医院中心实验室,北京,100101;军事医学科学院放射与辐射医学研究所,北京,100850【正文语种】中文【中图分类】R3【相关文献】1.谷氨酸合成途径基因缺失对大肠杆菌发酵L-色氨酸的影响 [J], 赵春光;魏洪波;徐庆阳;张成林;陈宁2.烟草类萜生物合成途径中关键酶基因的克隆与表达调控 [J], 申培林;杨铁钊;张小全;李亚培;贾燕超;宋文峰;吕军朋3.创新霉素对其大肠杆菌抗性变株色氨酸合成途径酶合成的促进作用 [J], 徐世华;戚天庆4.大肠杆菌苯丙氨酸合成途径关键酶基因pheA的克隆与表达 [J], 刘云;梁学颖;刘志红;刘耀清;徐琪寿5.植物香豆素生物合成途径及关键酶基因研究进展 [J], 段珍;吴凡;闫启;张吉宇因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

大肠杆菌代谢途径论文素材引言：大肠杆菌（Escherichia coli）是一种广泛存在于自然环境中的革兰氏阴性细菌，它具有丰富的代谢途径。

大肠杆菌代谢途径的研究不仅对于了解其生物学特性，还对于应用于医学、工业和农业等领域具有重要意义。

本文将介绍大肠杆菌代谢途径的相关素材，帮助读者更好地理解大肠杆菌的代谢机制。

一、糖代谢途径大肠杆菌是一种典型的糖类分解菌，它能够利用多种糖类进行代谢。

其中，葡萄糖代谢是最为重要的一条途径。

大肠杆菌通过糖激酶和磷酸转移酶等酶的作用，将葡萄糖转化为葡萄糖-6-磷酸，再经过糖酸途径最终产生丙酮酸和乳酸等终产物。

此外，大肠杆菌还能利用半乳糖、果糖等糖类进行代谢，并产生相应的代谢产物。

二、氨基酸代谢途径大肠杆菌具有广泛的氨基酸代谢能力。

它能够通过氨基酸转化途径合成所需的氨基酸。

例如，大肠杆菌能够通过谷氨酸代谢途径合成丙氨酸和组氨酸等氨基酸。

此外，大肠杆菌还具有分解氨基酸的能力，通过脱羧酶和氨基酸酶等酶的作用，将氨基酸分解为酮酸和氨等代谢产物。

三、脂肪酸代谢途径大肠杆菌能够利用脂肪酸进行能量代谢。

它通过脂肪酸合成途径合成脂肪酸，并将其转化为辅酶A。

然后，通过β-氧化途径将脂肪酸降解为乙酰辅酶A，最终产生能量。

此外，大肠杆菌还能够利用外源性脂肪酸进行代谢，并产生相应的代谢产物。

四、核酸代谢途径大肠杆菌具有复杂的核酸代谢途径。

它能够通过核苷酸合成途径合成脱氧核苷酸和核苷酸，为细胞的生长和分裂提供所需的物质。

此外，大肠杆菌还能够通过核酸降解途径将核苷酸分解为碱基和糖进行再利用。

结论：大肠杆菌是一种具有丰富代谢途径的细菌。

它能够通过糖代谢途径、氨基酸代谢途径、脂肪酸代谢途径和核酸代谢途径等，实现对多种底物的利用和代谢。

了解大肠杆菌的代谢途径，有助于深入探究其生物学特性，并为相关领域的研究和应用提供理论支撑。

参考文献：1. Sabine E. Wilkening, Friedhelm Meinhardt. A comprehensive modelof anaerobic Escherichia coli Glycerol-Salt Adaptation Journal of Bacteriology, 2013, 195(2): 281-291.2. Zijun Zhang, Ching C. Wang, et al. Active Aldehyde Deformylating Oxygenase from Pathogenic Escherichia coli ACS Catalysis, 2013, 3(12): 2837-2840.3. Yolanda Pérez-Mendoza, Ángela Gómez-García, et al. Novel Conditionally Replicative and Conjugative Plasmids Harboring rhamnose-Inducible Promoters for Use in Escherichia coli. Appl Environ Microbiol, 2013, 79(7): 2090-2098.注意：该文档仅为大肠杆菌代谢途径的素材，不包含具体论文的写作内容。