研究人员研究工业微生物的糖摄取机制

在基因操作和先进的生物物理工具的帮助下，一个国际研究团队对细菌如何吸收植物原料中的糖分获得了意想不到的见解。他们的研究结果于9月7日发表在mBio上。

“高效的糖摄取对微生物细胞工厂至关重要，因此糖转运蛋白是工业微生物代谢工程和合成生物学开发的重要目标，”青岛生物能源与生物工艺技术研究所(QIBEBT)的共同通讯作者崔秋教授说中国科学院(CAS)。

这种名为热纤梭菌的细菌长期以来一直是生物燃料可持续工业生产的主要竞争者。尽管工业微生物C.thermocellum如何摄取糖多年来一直备受关注，并且在2009年发现了五种潜在的糖转运蛋白，但在这种细菌中进行基因操作的困难限制了功能验证。

由Cui领导的QIBEBT代谢组学小组开发了多种能够在C.thermocellum中进行基因操作的工具。这些工具包括细胞电穿孔仪器、嗜热细菌的快速基因敲除技术(Thermotargetron技术)和精确的基因组编辑系统，使研究人员能够分析哪些基因在细菌中产生了哪些物理和功能变化，从而了解细菌如何破坏将植物细胞壁的主要成分木质纤维素转化为可用于生产乙醇的糖类。

通过结合这些遗传方法和各种生物物理技术，研究人员在C.thermocellum的五种潜在糖转运蛋白中分别确定了称为B和A的转运蛋白作为纤维糊精和葡萄糖的单独转运蛋白。葡萄糖是一种简单的糖分子，而纤维糊精包含多个键合分子。“这些发现非常出乎意料，因为已知许多微生物具有多种冗余糖转运蛋白作为其主要碳源，”崔说。

与其他微生物一样收集和移动糖的多种转运蛋白不同，热纤梭菌主要使用转运蛋白B来吸收源自纤维素的纤维糊精。据QIBEBT的共同通讯作者冯银刚教授介绍，该菌株还使用转运蛋白A来吸收和利用葡萄糖，但只有在适当适应后才能使用。

“我们还确定了一个分离的基因2554，作为转运蛋白B基因簇中缺失的亚基，”冯说，并指出这一发现解释了转运蛋白B的机制如何帮助利用木质纤维素生物质。“此外，我们证明了转运蛋白B与纤维素小体的表达调控相结合，纤维素小体是负责通过降解植物细胞壁产生糖的蛋白质复合物。”

这一发现扩展了该领域的先前研究，表明纤维素体表达受一组具有底物感应和转录活性的sigma/anti-sigma因子调节，同时还与糖转运有关。然而研究人员并未完全阐明这种糖转运蛋白-纤维素小体偶联的潜在机制，其存在的发现进一步支持了热纤梭菌在木质纤维素生物转化中的潜在应用价值。

“虽然限制性转运蛋白的生理和进化益处仍然未知，但这些发现表明，在热纤梭菌中设计糖转运蛋白可能比在具有多个冗余转运蛋白的物种中更容易，”崔说。

研究人员表示，他们计划继续努力了解这种细菌的关键分子机制，他们将利用这些机制为生物能源和合成生物学技术的发展提供信息。