Dataset describing the amino acid catabolism of Thermoanaerobacter strain AK85- The influence of culture conditions on end product formation
热厌氧杆菌AK85菌株氨基酸分解代谢数据集：培养条件对终产物生成的影响
来源：Data in brief, Volume 24, 2019, Article number 103938, doi:10.1016/j.dib.2019.103938
《数据简报》，第24卷，2019年，文章编号103938，doi：10.1016/j.dib.2019.103938
摘要
本文提供了热厌氧杆菌AK85菌株氨基酸分解代谢的相关数据集，重点探究不同电子清除条件下该菌株对20种蛋白质氨基酸的代谢及终产物生成情况。该菌株单独发酵丝氨酸主要生成乙酸，同时伴随少量乙醇；在共培养产氢产甲烷菌的条件下，支链氨基酸缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸会被分解为对应的支链脂肪酸，添加40 mM硫代硫酸盐时，则同时生成支链脂肪酸与支链醇。苏氨酸在硫代硫酸盐和产甲烷菌两种培养条件下主要降解为乙酸，并产生少量乙醇，其余氨基酸无法被该菌株降解。研究以异亮氨酸为模型底物，系统考察了初始pH、培养温度、气液相比、初始硫代硫酸盐浓度等培养参数对代谢终产物的影响，还完成了三种支链氨基酸长达7天的发酵动力学实验，相关数据以表格形式呈现。
关键词
嗜热微生物；支链氨基酸；支链醇；硫代硫酸盐；氨基酸分解代谢；发酵条件；发酵产物
研究目的
系统采集并整理热厌氧杆菌AK85菌株对20种蛋白质氨基酸的分解代谢数据；分析不同培养条件、电子清除体系对氨基酸发酵终产物种类与产量的影响；探究pH、温度、气液相比、硫代硫酸盐浓度等参数对支链氨基酸代谢的作用；获取缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸的发酵动力学数据，为同类嗜热厌氧菌氨基酸代谢及高价值C4、C5醇类生产研究提供参考数据集。
研究思路
首先设置不同电子清除体系，分别在有无硫代硫酸盐、共培养产甲烷菌的条件下，检测AK85菌株对20种氨基酸的降解能力与发酵终产物；选取异亮氨酸作为代表性支链氨基酸，依次探究初始pH、培养温度、气液相比、硫代硫酸盐单一变量对发酵产物的影响，进一步开展双变量组合实验；随后针对缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸开展为期7天的长时间发酵动力学实验，记录不同时间点底物降解率、产物含量、菌体OD值等指标；全程采用气相色谱、紫外可见分光光度计、Bioscreen等设备完成样品检测与菌体生长监测，最终将所有实验数据整理为标准化表格。
研究亮点
1. 完整提供了热厌氧杆菌AK85对20种蛋白质氨基酸的代谢图谱，明确该菌株可降解的氨基酸种类及对应发酵终产物。
2. 区分了不同电子清除体系下支链氨基酸的代谢产物差异，阐明硫代硫酸盐、产甲烷菌对产物分布的调控作用。
3. 系统分析多项培养参数对氨基酸发酵的影响，获得各条件下最优参数范围，数据详实且具备可重复性。
4. 补充了三种典型支链氨基酸的长时间发酵动力学数据，动态展示底物消耗与产物生成的变化规律。
5. 数据集可用于对比中温、嗜热厌氧菌的氨基酸代谢差异，为生物制造领域高价值支链醇的菌种筛选与工艺优化提供支撑。
可延伸的方向
1. 基于该数据集，优化培养工艺，提升AK85菌株合成C4、C5支链醇的产量与转化效率。
2. 对比不同嗜热、中温厌氧菌的氨基酸代谢特征，挖掘具备高产支链醇潜力的微生物菌株。
3. 探究硫代硫酸盐、产甲烷菌调控氨基酸代谢的分子机制，解析相关代谢通路与关键酶。
4. 开展混合氨基酸底物发酵实验，研究底物之间的相互作用及对终产物的影响。
5. 结合代谢组学、转录组技术，分析不同培养条件下菌株基因表达与代谢通路的变化。
6. 探究该菌株在工业发酵体系中的应用潜力，进行放大培养实验验证工艺稳定性。
7. 研究该菌株氨基酸代谢副产物的综合利用方式，提升发酵体系整体经济效益。
测量的数据及研究意义
1 测定20种氨基酸在不同电子清除体系下的降解情况与发酵终产物，为基础代谢研究划定AK85菌株的底物利用范围，明确丝氨酸、苏氨酸、三种支链氨基酸的主要代谢产物，区分不同电子清除条件带来的产物差异。
2 检测不同初始pH下异亮氨酸发酵的各类产物浓度、底物降解率、菌体OD值等数据，数据来自表1，明确pH对菌体生长、异亮氨酸降解效率以及产物分布的影响，确定适宜发酵pH区间。
3 检测不同培养温度下异亮氨酸发酵的各项指标，数据来自表2，掌握温度对菌株代谢活性的影响，明确该嗜热菌的适宜生长与发酵温度，温度过高或过低都会显著抑制底物降解。
4 分析不同气液相比对异亮氨酸发酵产物及菌体生长的影响，数据来自表3，阐明气相占比改变对厌氧发酵体系的调控作用，为发酵容器选型与装液量设置提供依据。
5 测定不同初始硫代浓度下异亮氨酸的发酵数据，数据来自表4，明确硫代硫酸盐浓度与产物组成、底物降解效率的关联，确定硫代硫酸盐的最佳添加量。
6 探究气液相比与硫代硫酸盐浓度双变量共同作用下的发酵效果，数据来自表5，分析两个培养条件的协同作用，为实际发酵工艺的多参数调控提供数据支撑。
7 分别测定缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸长达7天的发酵动力学数据，数据来自表6、表7、表8，动态呈现底物消耗、产物生成、菌体生长的时序变化，解析支链氨基酸发酵的全过程规律。
结论
1 热厌氧杆菌AK85仅能降解丝氨酸、苏氨酸以及缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸三种支链氨基酸，其余15种蛋白质氨基酸无法被该菌株利用。
2 电子清除体系会显著改变支链氨基酸的发酵产物：与产甲烷菌共培养时主要生成支链脂肪酸，添加硫代硫酸盐则同时生成支链脂肪酸和支链醇。
3 培养pH、温度、气液相比、硫代硫酸盐浓度均会影响菌体生长、底物降解效率和发酵终产物的组分与产量，各参数均存在适宜作用区间，偏离区间会大幅降低发酵效率。
4 三种支链氨基酸的发酵过程具有明显时序特征，发酵前期以底物消耗和菌体生长为主，发酵中后期支链醇、脂肪酸等产物大量积累。
5 该数据集可为嗜热厌氧菌代谢研究以及支链醇类生物制造的工艺开发、菌种对比提供可靠的基础数据。
使用芬兰 Bioscreen仪器测量数据的研究意义
本研究使用芬兰Bioscreen设备监测微生物生长情况，结合紫外可见分光光度计完成菌体OD检测。其一，该设备可实现高通量、自动化的微生物生长动态监测，长时间连续记录菌体光密度变化，精准反映不同培养条件下AK85菌株的生长速率、生长周期，避免人工间断检测带来的误差。其二，针对pH、温度、硫代硫酸盐浓度等多组梯度实验，Bioscreen可同步完成多样本检测，保证各组实验条件统一、数据平行性良好，直观对比不同参数对菌体增殖的影响。其三，结合发酵产物检测数据，可将菌体生长状态与底物降解、产物生成进行关联分析，区分培养条件是直接影响代谢通路，还是通过抑制菌体生长间接降低发酵效率。其四，设备适配厌氧嗜热微生物的培养监测需求，契合本菌株的生理特性，保障生长数据的准确性，也为同类嗜热厌氧菌的培养与表型检测建立标准化方法。其五，7天长时间动力学实验中，设备可持续稳定采集数据，完整还原菌株全发酵周期的生长变化，为解析氨基酸发酵时序规律提供关键生长数据支撑。