生物聚合物如果聚糖因其环境可持续性和生物相容性近年来受到广泛关注，然而工业规模生产仍受限于细菌合成在低质量发酵条件下的固有低产率。枯草芽孢杆菌LY7.16是一种高效果聚糖生产菌株，可实现最高101.9克果聚糖产量，底物利用效率达40.7%（w/w）。其可扩展性显著受环境参数影响，尤其是初始蔗糖浓度，它调节胞外多糖生物合成与胞内代谢活性的平衡。为克服这些限制，研究人员开发了动态代谢建模框架（ly716-Bs-dMM）以模拟蔗糖浓度对底物转化为果聚糖的复杂效应。该整合方法结合动态与约束建模，纳入环境变量与细胞代谢，用于识别提高产量的策略。模型模拟与实验数据高度吻合，显示高浓度蔗糖促进果聚糖生产，并通过上调sacB基因驱动代谢从生物质合成向果糖基转移酶（levansucrase）表达的转换。此外，模拟表明胞外果糖基转移酶活性由低蔗糖条件下的水解主导转变为高蔗糖条件下的果糖基转移（transfructosylation）主导。ly716-Bs-dMM凸显了一种系统代谢工程策略，将微生物生理与操作条件相结合，以同时最大化果聚糖产量与底物利用效率。预测假设的场景分析进一步表明，将氨基酸补充与补料分批操作及能量途径工程相结合，可突破果糖基转移酶活性与细胞生物质形成之间的权衡，从而提升果聚糖生产潜力。
该研究针对果聚糖工业化生产中产量低、底物利用率不足的问题，依托枯草芽孢杆菌LY7.16这一高产菌株，构建了融合动态动力学与基因组尺度代谢模型的ly716-Bs-dMM框架，旨在解析蔗糖浓度对果聚糖合成的调控机制并提出优化策略。研究成果发表于《PLOS Computational Biology》。
关键技术方法方面，研究人员基于普通营养肉汤培养基，设置初始蔗糖浓度梯度（50–300 g·L-1）开展分批发酵实验，采用高效液相色谱定量蔗糖、葡萄糖、果糖浓度，乙醇沉淀法获得果聚糖产量。建模方面，整合常微分方程（ODE）描述的胞外代谢动力学与基于iYO844重构的枯草芽孢杆菌基因组尺度代谢模型（BsCBM），通过Levenberg–Marquardt算法拟合参数，并利用通量平衡分析（FBA）解析胞内代谢流分布。
研究结果如下：
不同初始蔗糖浓度下的果聚糖生产：实验发现果聚糖最大产量与初始蔗糖浓度正相关，但在≥250 g·L-1时增速放缓，细胞比生长速率下降。低蔗糖条件下，蔗糖快速消耗伴随果聚糖与生物质同步积累，耗尽后发生果聚糖降解；高蔗糖条件下，蔗糖消耗缓慢，果聚糖与生物质生成速率降低但降解减少，底物利用效率更高。
枯草芽孢杆菌LY7.16果聚糖生产的动态代谢建模：ly716-Bs-dMM在低（50–100 g·L-1）与高（250–300 g·L-1）蔗糖条件下均能有效模拟代谢物动态变化，平均归一化均方根误差（NRMSE）分别为14.85%与12.04%。模型揭示了果糖基转移酶活性随蔗糖浓度的切换机制，并量化了关键参数（如α值代表每克干细胞质量的酶产量）的变化规律。
低至高过渡蔗糖浓度下的果聚糖生产模拟：在200 g·L-1过渡浓度下，模型参数呈现介于低、高条件之间的特征，生物质产率偏向低浓度，而α值接近高浓度，提示代谢重心由生物质合成向酶生产转移。
初始蔗糖浓度诱导的代谢变化预测：FBA分析显示，随着蔗糖浓度升高，碳流从生物质合成转向果糖基转移酶生产，琥珀酸转化途径由高能消耗的琥珀酰辅酶A合成酶（SUCOAS）途径切换至无需能量的3-氧代酸辅酶A转移酶（OCOAT1）途径，支持sacB基因上调引发的代谢重分配。
枯草芽孢杆菌LY7.16果聚糖生产的计算机模拟优化：在200 g·L-1条件下，苏氨酸补充可使果糖基转移酶与生物质水平提升1.342倍；sacB过表达结合补料分批策略可进一步提高酶产量与果聚糖合成，同时降低水解与果糖基转移（H/T）比率；下调磷酸葡萄糖异构酶（PGI）可促进葡萄糖-6-磷酸流向氧化戊糖磷酸途径（OPP），增加NADPH供应，增强酶合成潜力。
讨论部分指出，ly716-Bs-dMM成功整合了胞外酶动力学与胞内代谢网络，克服了传统基因组尺度模型忽略时间动态性的局限，并揭示了能量竞争与代谢权衡机制。研究提出的联合策略——sacB过表达、PGI下调、补料分批及氨基酸补充——可为果聚糖工业化生产提供系统代谢工程指导。结论部分强调，该框架通过耦合环境因子与细胞代谢，实现了对果聚糖合成动态的全面解析，并在过渡蔗糖浓度下提出了兼顾产量与底物效率的优化方案，具备向工业场景转化的潜力。
