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)用價值。近期，中國科學院青島生物能源與過程研究所代謝物組學研究組研究員崔球團隊結(jié)合體內(nèi)和體外實驗，闡明熱纖梭菌中負責纖維寡糖和葡萄糖攝取的轉(zhuǎn)運蛋白及其結(jié)構(gòu)分子機制。

　　熱纖梭菌通過分泌一種多酶復(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，進而將其攝入胞內(nèi)為細胞提供碳源和能量。

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

　　青島能源所代謝物組學研究組長期以來針對熱纖梭菌開展研究，突破了熱纖梭菌的遺傳操作瓶頸，開發(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)和精準的基因組無疤編輯系統(tǒng)，為深入研究熱纖梭菌生理和代謝的分子機制提供有效手段。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制。

　　該研究構(gòu)建了5個可能的寡糖轉(zhuǎn)運蛋白基因簇的敲除和回補突變株。生長表型實驗表明，轉(zhuǎn)運蛋白B是唯一的纖維寡糖轉(zhuǎn)運蛋白，而轉(zhuǎn)運蛋白A是唯一的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白。

　　研究進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)，測定轉(zhuǎn)運蛋白的底物結(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)運蛋白A和B特異性結(jié)合葡萄糖和纖維寡糖的機制。此外，研究還鑒定出一個孤立的基因2554是轉(zhuǎn)運蛋白B基因簇中缺失的ATP酶亞基基因，補全了這個唯一的纖維寡糖轉(zhuǎn)運蛋白的全部組分。

　　前期研究表明，熱纖梭菌纖維小體表達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)運蛋白B的敲除會導(dǎo)致細胞表面纖維小體凸起的顯著減少，且纖維寡糖對纖維小體表達的誘導(dǎo)作用消失，表明轉(zhuǎn)運蛋白B與纖維小體的表達調(diào)控之間存在偶聯(lián)關(guān)系，這為纖維小體的表達調(diào)控機制研究提供了新思路。

　　糖類轉(zhuǎn)運蛋白是工業(yè)微生物進行代謝工程改造和合成生物學開發(fā)的重要靶點，揭示工業(yè)微生物的糖類攝取機制具有重大的潛在應(yīng)用價值。熱纖梭菌因具有獨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)用價值，同時作為特殊的嗜熱底盤細胞在合成生物學開發(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制，發(fā)現(xiàn)了寡糖攝取與纖維小體的表達調(diào)控的偶聯(lián)關(guān)系，加深了對熱纖梭菌的生理和代謝機制的認識。、

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

　　青島能源所揭示生物質(zhì)降解菌熱纖梭菌的糖攝取機制