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谷氨酸棒桿菌是一種重要的傳統(tǒng)工業(yè)微生物，已被代謝改造為微生物細(xì)胞工廠，廣泛用于發(fā)酵生產(chǎn)各種氨基酸、核苷酸和有機(jī)酸等，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。雖然谷氨酸棒桿菌具有一定程度的耐鹽堿生理學(xué)特性，但是發(fā)酵過程中的高鹽或由高鹽引起的高滲透壓等脅迫環(huán)境，仍然嚴(yán)重影響菌株生長及代謝活性，從而降低工業(yè)菌株的生物制造效率。因此，探究和解析谷氨酸棒桿菌在高鹽堿等脅迫條件下的生理適應(yīng)機(jī)制，對于尋求微生物生理功能*化和目標(biāo)產(chǎn)物積累zui大化的工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)具有重要意義。
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改造研究團(tuán)隊(duì)以谷氨酸棒桿菌為研究材料，分析和鑒定出四個(gè)潛在的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Mrp1-2、NhaP和ChaA），并系統(tǒng)闡述了谷氨酸棒桿菌在鹽堿脅迫等壓力條件下的生理適應(yīng)策略。研究發(fā)現(xiàn)，谷氨酸棒桿菌Mrp1蛋白具有zui顯著的Na+/H+離子轉(zhuǎn)運(yùn)活性，該蛋白主要在堿性條件下發(fā)揮作用。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，Mrp1逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要參與菌株在高NaCl和堿性脅迫條件下的耐受性應(yīng)答，Mrp2逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要參與菌株在高KCl脅迫條件下的耐受性應(yīng)答，這兩種蛋白同時(shí)缺失則會嚴(yán)重影響菌株在高鹽堿條件下的正常存活能力。此外，谷氨酸棒桿菌Mrp型Na+/H+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的缺失也嚴(yán)重影響菌株胞內(nèi)Na+離子和pH穩(wěn)態(tài)，mrp1和mrp2基因的同時(shí)缺失會使菌株胞內(nèi)積累更多的毒性Na+離子，從而使胞內(nèi)環(huán)境的堿性增加。進(jìn)一步通過定點(diǎn)突變分析，鑒定出谷氨酸棒桿菌Mrp1蛋白中多個(gè)保守性氨基酸殘基位點(diǎn)，對于Mrp1蛋白活性功能的正常發(fā)揮具有重要作用，其中Mrp1A-K299位點(diǎn)可能是其發(fā)揮作用的關(guān)鍵殘基之一。通過同源建模分析，發(fā)現(xiàn)谷氨酸棒桿菌Mrp1蛋白中的Mrp1A和Mrp1D亞基分別含有一個(gè)潛在的離子轉(zhuǎn)運(yùn)通道，K299位點(diǎn)可能是通過改變離子通道的結(jié)構(gòu)或靈活度來影響離子轉(zhuǎn)運(yùn)活性。該研究成果有助于更好地理解Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在谷氨酸棒桿菌抵御鹽堿脅迫中的分子機(jī)理，也為提高谷氨酸棒桿菌的生理性能及其工業(yè)應(yīng)用提供新思路。
該研究獲得國家自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金和中科院百人計(jì)劃項(xiàng)目的支持，相關(guān)研究結(jié)果已分別發(fā)表于FEMS Microbiology Letters 和applied and Environmental Microbiology 雜志。天津工生所助理研究員徐寧為論文的*作者。(生物谷）
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