研究揭示谷氨酸棒桿菌抵御低酸脅迫的生理機制

谷氨酸棒桿菌是一種重要的工業(yè)微生物菌種，已被廣泛用于氨基酸的工業(yè)發(fā)酵，以及有機酸、核苷酸和維生素等的生產(chǎn)，具有重要的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價值。然而，在谷氨酸、丁二酸以及丙酮酸等酸性生物基化學(xué)品的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，谷氨酸棒桿菌時常面臨著低酸環(huán)境的脅迫壓力，嚴(yán)重影響菌株的正常生理狀態(tài)以及相關(guān)目標(biāo)代謝產(chǎn)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(huán)境的生理適應(yīng)策略，以期利用這些知識對生產(chǎn)菌株進(jìn)行生理性能改造，提高菌株在酸性脅迫環(huán)境下的存活能力和耐受性，從而充分發(fā)揮其工業(yè)價值，具有重要理論和現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員劉君帶領(lǐng)的微生物生理和代謝工程研究組利用適應(yīng)性進(jìn)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(jìn)化菌株與原始菌株的生理特性差異，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)，對進(jìn)化菌株的耐酸機理進(jìn)行了詳細(xì)研究。結(jié)果表明，相較于原始菌株，進(jìn)化菌株在低酸脅迫下能更好地保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性，同時維持更高的胞內(nèi)pH和較低的胞內(nèi)活性氧水平，進(jìn)而實現(xiàn)低酸脅迫下更強的生長和存活能力。通過轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，與原始菌株相比，在低酸脅迫下進(jìn)化菌株中心代謝途徑中多個關(guān)鍵基因表達(dá)上調(diào)，提示進(jìn)化菌株比原始菌株具有更高的胞內(nèi)代謝活性。此外，研究中還發(fā)現(xiàn)和鑒定出多個候選抗酸元件，如銅伴侶蛋白Cg1328、細(xì)胞分裂蛋白FtsE/X、脂肪酸合成酶Fas、分子伴侶HscA等。進(jìn)一步研究揭示，KatA-Dps (過氧化氫酶-饑餓誘導(dǎo)DNA保護(hù)蛋白)介導(dǎo)的胞內(nèi)活性氧清除過程和McbR (硫代謝調(diào)控因子)介導(dǎo)的硫元素同化抑制效應(yīng)能夠協(xié)同參與谷氨酸棒桿菌的低酸脅迫耐受應(yīng)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(dá)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。該研究將有助于更好地認(rèn)識和理解谷氨酸棒桿菌在低酸脅迫環(huán)境下的生理適應(yīng)策略，對于尋求微生物生理功能**化和目標(biāo)產(chǎn)物積累**化的工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

該研究獲得國家自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金的支持，相關(guān)研究結(jié)果已發(fā)表于applied Microbiology and Biotechnology 雜志。天津工生所副研究員徐寧和客座研究生呂紅芳為論文共同**作者，劉君為論文通訊作者。