Build biological system functi…

# 大肠杆菌发酵生产乳酸功能模型（葡萄糖 20 g/L）

一、菌株与代谢背景

• 常用菌株：工程化 E. coli（如缺失 *ldhA* 强化或过表达 *ldhA* 的 DH5α/MG1655 改造株；野生型 E. coli 在厌氧条件下本身可产乳酸，但混合酸发酵副产物多）
• 关键酶：乳酸脱氢酶——丙酮酸 + NADH → 乳酸 + NAD⁺
• 发酵方式：厌氧/微氧发酵，pH 控制在 6.5–7.0（乳酸对低 pH 敏感）

二、能量代谢路径（ATP 与 NADH 平衡）

糖酵解阶段（EMP 途径）：

• 葡萄糖 → 2 丙酮酸
• 净产：2 ATP（底物水平磷酸化）+ 2 NADH

发酵阶段（同型乳酸发酵改造目标）：

• 2 丙酮酸 → 2 乳酸
• 消耗：2 NADH（由 LDH 再氧化为 NAD⁺，维持氧化还原平衡）

能量总结：

• 理论得率：1 mol 葡萄糖 → 2 mol 乳酸（质量得率 1.0 g/g）
• 理论产量上限：20 g/L 葡萄糖 → 约 20 g/L 乳酸（实际工程水平通常为理论值的 70–95%）

三、物质流路径图（文字版）

```

葡萄糖 (20 g/L)

│ [PTS 摄取系统 → G6P]

▼

葡萄糖-6-磷酸

│ [EMP 糖酵解]

├──→ 2 ATP ──────────→ 维持细胞生长/运输

├──→ 2 NADH ─────┐

▼ │

2 丙酮酸 ◄───────────┘ [LDH 消耗 NADH]

│

▼

2 乳酸（主产物）

【副产物分支——需基因改造抑制】

丙酮酸 → 甲酸/乙醇/乙酸（PFL、ADH、PTA 路径）

丙酮酸 → CO₂ + 乙酰CoA（PDH，微氧条件）

```

四、模型关键参数建议

• 碳流分配系数：建模时设置丙酮酸节点分流（乳酸路径 vs 混合酸路径），改造株乳酸分支流量应 >90%
• 约束条件：NADH 平衡约束、ATM 维持能（maintenance energy）设为常数项
• pH 耦合：乳酸解离影响 pH，建议模型加入 Henderson-Hasselbalch 方程（乳酸 pKa≈3.86）
• 推荐工具：利用 COBRA Toolbox / GEMs（基于 E. coli 基因尺度代谢网络模型如 iJO1366）+ MATLAB/Python 实现

五、验证与优化方向

• 实验验证：HPLC 测葡萄糖/乳酸浓度，绘制物料衡算表
• 优化目标函数：最大化乳酸分泌通量，同时最小化副产物通量
• 可加装 *pflB*、*adhE*、*pta-ackA* 缺失，减少混合酸副产物

如需 MATLAB/Python 脚本框架或 FBA 模型搭建细节，可进一步展开。