生物質(zhì)降解菌熱纖梭菌的糖攝取機(jī)制

　　熱纖梭菌是一種高效降解木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的嗜熱厭氧細(xì)菌，在農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用中具有應(yīng)用價(jià)值。近期，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所代謝物組學(xué)研究組研究員崔球團(tuán)隊(duì)結(jié)合體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)，闡明熱纖梭菌中負(fù)責(zé)纖維寡糖和葡萄糖攝取的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及其結(jié)構(gòu)分子機(jī)制。

　　熱纖梭菌通過(guò)分泌一種多酶復(fù)合體——纖維小體將木質(zhì)纖維素中的多糖水解為以纖維寡糖為主的可溶性糖，進(jìn)而將其攝入胞內(nèi)為細(xì)胞提供碳源和能量。

　　2009年，以色列研究者在熱纖梭菌基因組中發(fā)現(xiàn)5個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因簇，推測(cè)它們可能負(fù)責(zé)纖維寡糖、葡萄糖和昆布二糖的轉(zhuǎn)運(yùn)，但缺乏明確的功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。由于熱纖梭菌遺傳操作較為困難，在后續(xù)的十多年里國(guó)際上除了一些組學(xué)分析涉及到這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，一直未能清晰闡明熱纖梭菌的糖類攝取機(jī)制。

　　青島能源所代謝物組學(xué)研究組長(zhǎng)期以來(lái)針對(duì)熱纖梭菌開(kāi)展研究，突破了熱纖梭菌的遺傳操作瓶頸，開(kāi)發(fā)了多種可用于熱纖梭菌的遺傳操作工具，包括快速的基因打靶系統(tǒng)和精準(zhǔn)的基因組無(wú)疤編輯系統(tǒng)，為深入研究熱纖梭菌生理和代謝的分子機(jī)制提供有效手段。在此基礎(chǔ)上，研究人員深入研究了熱纖梭菌的糖類攝取機(jī)制。

　　該研究構(gòu)建了5個(gè)可能的寡糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因簇的敲除和回補(bǔ)突變株。生長(zhǎng)表型實(shí)驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白B是唯一的纖維寡糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，而轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白A是唯一的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。

　　研究進(jìn)一步使用等溫滴定量熱(ITC)、核磁共振(NMR)滴定技術(shù)和X-射線晶體衍射技術(shù)，測(cè)定轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的底物結(jié)合亞基與各種糖類的相互作用，并從結(jié)構(gòu)上闡明轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白A和B特異性結(jié)合葡萄糖和纖維寡糖的機(jī)制。此外，研究還鑒定出一個(gè)孤立的基因2554是轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白B基因簇中缺失的ATP酶亞基基因，補(bǔ)全了這個(gè)唯一的纖維寡糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的全部組分。

　　前期研究表明，熱纖梭菌纖維小體表達(dá)主要受到一類特殊的Sigma/Anti-sigma因子的調(diào)控。該研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白B的敲除會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞表面纖維小體凸起的顯著減少，且纖維寡糖對(duì)纖維小體表達(dá)的誘導(dǎo)作用消失，表明轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白B與纖維小體的表達(dá)調(diào)控之間存在偶聯(lián)關(guān)系，這為纖維小體的表達(dá)調(diào)控機(jī)制研究提供了新思路。

　　糖類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是工業(yè)微生物進(jìn)行代謝工程改造和合成生物學(xué)開(kāi)發(fā)的重要靶點(diǎn)，揭示工業(yè)微生物的糖類攝取機(jī)制具有重大的潛在應(yīng)用價(jià)值。熱纖梭菌因具有獨(dú)特的纖維小體體系而在木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化中具有潛在應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)作為特殊的嗜熱底盤(pán)細(xì)胞在合成生物學(xué)開(kāi)發(fā)中也具有應(yīng)用潛力。該研究闡明了熱纖梭菌的寡糖和葡萄糖攝取機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了寡糖攝取與纖維小體的表達(dá)調(diào)控的偶聯(lián)關(guān)系，加深了對(duì)熱纖梭菌的生理和代謝機(jī)制的認(rèn)識(shí)。、

　　相關(guān)成果發(fā)表在微生物學(xué)領(lǐng)域期刊mBio上。研究得到以色列維茨曼科學(xué)研究所、Technion技術(shù)研究所和中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，以及國(guó)家自然科學(xué)基金委、山東能源研究院、中科院、青島市等項(xiàng)目支持。

　　青島能源所揭示生物質(zhì)降解菌熱纖梭菌的糖攝取機(jī)制