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天津工業生物所在谷氨酸棒桿菌抵御低酸脅迫的生理機制方面取得新進展
  發布時間:2019-05-20    供稿部門:微生物生理和代謝工程研究組

  谷氨酸棒桿菌是一種重要的工業微生物菌種,已被廣泛用于氨基酸的工業發酵,以及有機酸、核苷酸和維生素等的生產,具有重要的應用前景和經濟價值。然而,在谷氨酸、丁二酸以及丙酮酸等酸性生物基化學品的發酵生產過程中,谷氨酸棒桿菌時常面臨著低酸環境的脅迫壓力,嚴重影響菌株的正常生理狀態以及相關目標代謝產物的積累。因此,深入探究和解析谷氨酸棒桿菌對低酸脅迫環境的生理適應策略,以期利用這些知識對生產菌株進行生理性能改造,提高菌株在酸性脅迫環境下的存活能力和耐受性,從而充分發揮其工業價值,具有重要理論和現實指導意義。 

  中國科學院天津工業生物技術研究所劉君研究員帶領的微生物生理和代謝工程研究組利用適應性進化策略篩選獲得了一株谷氨酸棒桿菌耐酸菌株,通過比較分析進化菌株與原始菌株的生理特性差異,并結合轉錄組測序數據,對進化菌株的耐酸機理進行了詳細研究。結果表明,相較于原始菌株,進化菌株在低酸脅迫下能更好地保持細胞結構的完整性,同時維持更高的胞內pH和較低的胞內活性氧水平,進而實現低酸脅迫下更強的生長和存活能力。通過轉錄組分析發現,與原始菌株相比,在低酸脅迫下進化菌株中心代謝途徑中多個關鍵基因表達上調,提示進化菌株比原始菌株具有更高的胞內代謝活性。此外,研究中還發現和鑒定出多個候選抗酸元件,如銅伴侶蛋白Cg1328、細胞分裂蛋白FtsE/X、脂肪酸合成酶Fas、分子伴侶HscA等。進一步研究揭示,KatA-Dps (過氧化氫酶-饑餓誘導DNA?;さ鞍?/span>)介導的胞內活性氧清除過程和McbR (硫代謝調控因子)介導的硫元素同化抑制效應能夠協同參與谷氨酸棒桿菌的低酸脅迫耐受應答,是影響谷氨酸棒桿菌抗酸生理性能的重要因素,通過表達實驗也證實上述抗酸元件是代謝改造提高菌株抗酸特性的重要靶點之一。本研究將有助于更好地認識和理解谷氨酸棒桿菌在低酸脅迫環境下的生理適應策略,對于尋求微生物生理功能最優化和目標產物積累最大化的工業發酵生產具有重要指導意義。 

  該研究獲得國家自然科學基金、天津市自然科學基金的支持,相關研究結果已發表于Applied Microbiology and Biotechnology雜志。天津工業生物所副研究員徐寧和客座研究生呂紅芳為論文共同第一作者,劉君研究員為論文通訊作者。 

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谷氨酸棒桿菌抵御酸性脅迫的生理機理示意圖 

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