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天津工业生物所在谷氨酸棒杆菌抵御盐碱胁迫的生理机制方面取得新进展
  发布时间:2018-04-24    供稿部门:微生物生理与代谢改造实验室

  谷氨酸棒杆菌是一种重要的传统工业微生物,已被代谢改造为微生物细胞工厂,广泛用于发酵生产各种氨基酸、核苷酸和有机酸等,具有重要的经济价值。虽然谷氨酸棒杆菌具有一定程度的耐盐碱生理学特性,但是发酵过程中的高盐或由高盐引起的高渗透压等胁迫环境,仍然严重影响菌株生长及代谢活性,从而降低工业菌株的生物制造效率。因此,探究和解析谷氨酸棒杆菌在高盐碱等胁迫条件下的生理适应机制,对于寻求微生物生理功能最优化和目标产物积累最大化的工业发酵生产具有重要意义。 

  中国科学院天津工业生物技术研究所刘君研究员带领的微生物生理和代谢改造研究团队以谷氨酸棒杆菌为研究材料,分析和鉴定出四个潜在的Na+/H+逆向转运蛋白(Mrp1-2NhaPChaA),并系统阐述了谷氨酸棒杆菌在盐碱胁迫等压力条件下的生理适应策略。研究发现,谷氨酸棒杆菌Mrp1蛋白具有最显著的Na+/H+离子转运活性,该蛋白主要在碱性条件下发挥作用。体内实验进一步证实,Mrp1逆向转运蛋白主要参与菌株在高NaCl和碱性胁迫条件下的耐受性应答,Mrp2逆向转运蛋白主要参与菌株在高KCl胁迫条件下的耐受性应答,这两种蛋白同时缺失则会严重影响菌株在高盐碱条件下的正常存活能力。此外,谷氨酸棒杆菌MrpNa+/H+转运蛋白的缺失也严重影响菌株胞内Na+离子和pH稳态,mrp1mrp2基因的同时缺失会使菌株胞内积累更多的毒性Na+离子,从而使胞内环境的碱性增加。进一步通过定点突变分析,鉴定出谷氨酸棒杆菌Mrp1蛋白中多个保守性氨基酸残基位点,对于Mrp1蛋白活性功能的正常发挥具有重要作用,其中Mrp1A-K299位点可能是其发挥作用的关键残基之一。通过同源建模分析,发现谷氨酸棒杆菌Mrp1蛋白中的Mrp1AMrp1D亚基分别含有一个潜在的离子转运通道,K299位点可能是通过改变离子通道的结构或灵活度来影响离子转运活性。本研究成果有助于更好地理解Na+/H+逆向转运蛋白在谷氨酸棒杆菌抵御盐碱胁迫中的分子机理,也为提高谷氨酸棒杆菌的生理性能及其工业应用提供新思路。 

  该研究获得国家自然科学基金、天津市自然科学基金和中科院百人计划项目的支持,相关研究结果已分别发表于FEMS Microbiology Letters Applied and Environmental Microbiology杂志。天津工业生物所助理研究员徐宁为论文的第一作者。   

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Na+/H+转运蛋白介导的谷氨酸棒杆菌高盐碱胁迫抵御策略示意图 

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