一个碳氮比优化的实例及转录组学分析

01碳氮比及其重要性

碳氮比（C/ N） ：严格意义上应是指在微生物培养基中所含的碳源中的碳原子摩尔数与氮源中的氮原子摩尔数之比。（周德庆微生物学教程），在这里，我认为对于既能做碳源又能做氮源的物质应该及计算碳源又计算氮源。很多情况我们简单用培养基的碳源和氮源的比值来替代，但这是不准确的。另外由于一些培养基成分中的碳源不易利用，碳氮比也有用还原性碳源和粗蛋白之间的比值来替代，比如下式碳氮比的计算,就是用葡萄糖中的碳元素的摩尔浓度比上总蛋白中氮元素的摩尔质量浓度。

碳氮比（C/ N）影响微生物培养过程中的pH值变化，影响微生物的生长和代谢。碳氮比和优化方法详细可点击以下链接：

碳氮比怎么优化

以下以Chen, Z.; Chen, X.; Li, Q.; Zhou, P.; Zhao, Z.; Li, B. Transcriptome Analysis Reveals Potential Mechanisms of L-Serine Production by Escherichia coli Fermentation in Different Carbon–Nitrogen Ratio Medium. Foods 2022, 11, 2092.为例，介绍碳氮比优化及其对菌体代谢影响的研究。

02碳氮比优化方法

☞菌株：大肠杆菌，能够生产L-serine（丝氨酸）。

☞种子培养基：LB培养基

☞Shake flask fermentation medium（摇瓶发酵培养基）：9 g/L glucose, 2 g/L yeast extract, 6.8 g/L NaHPO4, 3 g/L KH2PO4, 0.5 g/L NaCl, 0.49 g/L MgSO4•7H2O, 0.015 g/L CaCl2•2H2O, 2.8 × 10−4 FeSO4•7H2O, 1 mL/L 1000 × mother liquor of a composite additive of trace elements（微量元素母液）(1.5 g/L Na2MoO4•2H2O, 2.5 g/L CuSO4•5H2O, 3 g/L ZnSO4•7H2O, 7 g/L CoCl2•6H2O, 16 g/L MnCl2•4H2O, 25 g/L H3BO3) and 1 mL/L 1000 × vitamin B1 and vitamin H mother liquor (0.3 g/L vitamin B1, 4.5 g/L vitamin H)。

作者以L-serine（丝氨酸）碳氮比（C/N ≈ 2.6）为基础，培养基中分别加入13.76, 6.88, 4.59, 2.75 and 1.38 g/L的NH4Cl ，将 C/N 调节为 1, 2, 3, 5 and 10,实验组分别命名为CZ1, CZ2, CZ3, CZ4 and CZ5 。碳氮源分别仅仅考虑主要碳氮源：葡萄糖、NH4Cl 。以葡萄糖中的C的质量和NH4Cl的N的质量比例进行计算。

当然也可以以C和N的摩尔数进行计算，也可以以葡萄糖和NH4Cl的浓度比例进行计算确定碳氮比。

实验结果显示随着碳氮比的增加，L-serine（丝氨酸）的产量显著增加，生物量有所下降，CZ4 和CZ5 间无显著差异。

03转录组分析

1.差异表达基因分析

和CZ1比较，碳氮比的调整，导致了基因的差异表达，其中有314个基因是共同的差异表达基因，这些差异基因导致了菌体的不同的表现。

2. 由于CZ4获得了较高的发酵水平，对CZ4 vs CZ1组进行GO（基因本体论（Gene Ontology））分析，包含了212个上调基因，579个下调基因。差异基因主要集中在响应环境刺激，生物调节，生物过程调控，细胞和代谢过程。上调和下调基因功能上有相似性。

3. KEGG代谢途径分析

对CZ4_vs_CZ1组315个显著性差异基因进行KEGG代谢途径分析，共涉及110个代谢途径，其中上调的代谢途径有27条，104个代谢途径下调，选取30 个富集度较高的途径，进行进一步的分析，这些基因主要集中在以下功能：

上调途：Two-Component Regulatory System，氮代谢 nitrogen metabolism，Glutamatergic synapse 谷氨酸能突触，GABAergic synapse，Alanine, aspartate gluctamate metabolism。下调代谢途径为：Oxidative phosphorylation，One carbon pool by folate，Arginine biosynthesis，Carbon fixation in photosynthetic organisms，Purine metabolism，TCA cycle，carbon metabolism，carbon fixation pathways in prokaryotes ，Biosynthesis of siderophore group nonribosomal peptides ， aminoacy1-trna biosynthesis。

4.挖掘潜在的关键的途径和基因位点

比较所有碳氮比组合的GO和KEGG富集，大量的差异基因被富集在GABAergic synapse和Two-Component Regulatory System两个途径。进一步分析两个途径上相关基因的调控情况，涉及的基因包括gadB, gadA, glsA, glnA, narH and narJ。

5.结果

☞ L-丝氨酸的积累导致了GABA的表达水平增加，从而抑制了TCA循环，影响力细胞是生长。

☞TCS是广泛存在的信号传导系统，响应于外界环境，在菌体适应由于碳氮比增加导致的pH变化上起到重要作用。