研究發(fā)現(xiàn)這個(gè)釀酒細(xì)菌有望成為下一個(gè)細(xì)胞工廠！
小楊 / 2024-05-29 08:52:34
不過，這種能天然產(chǎn)生乙醇的“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;卻是科學(xué)家眼中的潛力股——有資質(zhì)成為像
酵母、
大腸桿菌那樣的底盤細(xì)胞，為人類制造大宗化學(xué)品。
農(nóng)業(yè)農(nóng)村部成都沼氣科學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱沼科所）研究員何明雄團(tuán)隊(duì)分析了運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌適應(yīng)環(huán)境脅迫的染色體三維構(gòu)象，揭示了原核生物中廣泛存在的轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)染色體三維構(gòu)象及其調(diào)節(jié)抗逆基因表達(dá)以應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫的分子機(jī)制。近日，研究論文在線發(fā)表于《核酸研究》。
論文審稿人認(rèn)為，這是一項(xiàng)非常有趣的發(fā)現(xiàn)——化學(xué)分子和轉(zhuǎn)錄因子對(duì)細(xì)菌染色體的三維構(gòu)象產(chǎn)生影響從而促進(jìn)或抑制基因轉(zhuǎn)錄。這項(xiàng)研究不僅為認(rèn)識(shí)原核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系提供了新的科學(xué)依據(jù)，也為從三維基因組層面進(jìn)行工程菌株的理性設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
細(xì)胞工廠“潛力股”：天然產(chǎn)乙醇的細(xì)菌
作為一種能把葡萄糖和果糖變成乙醇的細(xì)菌，運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌具有一種特殊的生理生化特性。論文通訊作者何明雄介紹，它之所以能產(chǎn)生乙醇，全靠其代謝途徑中的特定酶系統(tǒng)。這些酶系統(tǒng)讓它將碳源（如葡萄糖）先轉(zhuǎn)化為丙酮酸，并繼續(xù)轉(zhuǎn)化為乙醇和二氧化碳。
如果能把農(nóng)林廢棄物——例如秸稈等生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成葡萄糖或者果糖，再用這種細(xì)菌進(jìn)行處理，豈不是可以“便利”地獲得工業(yè)用乙醇？
而且，有研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌在食品、健康及醫(yī)藥等領(lǐng)域也展示出廣闊的應(yīng)用前景。
然而，秸稈等生物質(zhì)資源結(jié)構(gòu)致密、難降解，難以利用。在轉(zhuǎn)化過程中，需要預(yù)處理以釋放其中的葡萄糖等營養(yǎng)物質(zhì)。但預(yù)處理產(chǎn)生的水解液存在許多微生物發(fā)酵的抑制劑，如乙酸、呋喃甲醛、酚類和鹽類化合物等。其中，乙酸和呋喃甲醛是主要的兩類有毒副產(chǎn)物。
“這些抑制劑會(huì)導(dǎo)致微生物發(fā)酵的轉(zhuǎn)化效率大幅下降。”何明雄說，如果能篩選出對(duì)抑制劑有抗性的菌株，就有望找到相關(guān)的抗性基因。
于是，7年前，何明雄團(tuán)隊(duì)碩士生王薇廷著手做菌株突變篩選，目標(biāo)是篩選出能夠耐受這些抑制劑的抗逆菌株，即能在脅迫環(huán)境下，高效利用糖類產(chǎn)生目標(biāo)產(chǎn)物而抵御這些抑制劑干擾的菌株。
通過基因組重組等技術(shù)，王薇廷終于選育出具有抗逆特性的運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌菌株ZM532，大幅提升了其生物轉(zhuǎn)化效率。
獲得耐受菌株后，研究團(tuán)隊(duì)想進(jìn)一步了解這些菌株為何產(chǎn)生抗逆性狀。他們利用了基因組重測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)等常用的分析方法，但分析結(jié)果卻出乎意料——盡管其中的一些基因與抗逆表型相關(guān)，但仍然不能完全解釋抗逆表型發(fā)生顯著改變的機(jī)制。
傳統(tǒng)手段“失靈”踏上基因組三維結(jié)構(gòu)探秘之旅
“我們團(tuán)隊(duì)前期使用了基因組重測(cè)序技術(shù)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析去揭示抗逆機(jī)制。”論文第一作者、沼科所博士陳茂說，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌抗逆菌株的基因組上發(fā)生了單核苷酸突變（SNP）以及片段插入和缺失等突變。
他們又嘗試從與基因組突變關(guān)聯(lián)的基因中尋找抗逆表型產(chǎn)生的原因，但這些與突變關(guān)聯(lián)的基因多與抗逆無關(guān)。
2019年，博士生Samina Shabbir開始做轉(zhuǎn)錄組和蛋白組分析，試圖挖掘關(guān)鍵調(diào)控因子，在轉(zhuǎn)錄水平上解釋抗逆機(jī)制，然而結(jié)果亦無法解釋表型發(fā)生巨大改變的原因。
“這些結(jié)果顯示，在運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌中，基因組突變與抗逆表型之間存在不匹配的現(xiàn)象。”何明雄說，在細(xì)菌中，基因組變異是其適應(yīng)脅迫環(huán)境的常見現(xiàn)象。“人們常常認(rèn)為這些突變會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌抗逆表型改變，但有時(shí)在一維層面，也就是基因水平上，可能無法解釋這種表型為何發(fā)生轉(zhuǎn)變。”
盡管人們已經(jīng)知道在真核生物中，基因組突變可能會(huì)改變?nèi)旧w三維結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致癌癥等疾病的發(fā)生，但人們對(duì)原核生物中基因組突變與染色體構(gòu)象之間的關(guān)系仍然知之甚少。
染色體構(gòu)象是染色體在三維空間上的組織和排列方式，包括染色體的折疊、染色體區(qū)域之間的相互作用等。這些高階結(jié)構(gòu)對(duì)基因的表達(dá)和調(diào)控有重要影響。
受真核生物三維基因組學(xué)相關(guān)研究的啟發(fā)，何明雄團(tuán)隊(duì)提出假設(shè)：會(huì)不會(huì)是基因組突變導(dǎo)致了染色體三維結(jié)構(gòu)的改變，從而導(dǎo)致抗逆表型的發(fā)生，因此傳統(tǒng)方法如基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)等一維二維的技術(shù)難以發(fā)現(xiàn)抗逆表型背后的機(jī)制。
2020年，正在攻讀博士學(xué)位的陳茂踏上了三維基因組結(jié)構(gòu)探索之旅，嘗試驗(yàn)證關(guān)鍵調(diào)控因子功能，解析三維基因組動(dòng)態(tài)變化，揭示抗逆調(diào)控的分子機(jī)制。
加快“細(xì)胞工廠”選育進(jìn)程
基因組突變和環(huán)境脅迫（如乙酸和呋喃甲醛）究竟是如何對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌三維染色體構(gòu)象產(chǎn)生影響的？
論文共同第一作者、沼科所副研究員吳波介紹，在三維基因組研究中，通常把DNA一維水平上相距幾百kb的位點(diǎn)之間的互作稱為長距互作，而把相距幾十kb甚至更小距離的互作稱為短距互作。
“我們的研究發(fā)現(xiàn)，基因組突變僅改變了局部的短距互作；當(dāng)乙酸和呋喃甲醛脅迫后，不僅改變了長距互作，也改變了短距互作。這些短距互作構(gòu)成了染色體結(jié)構(gòu)域，這是染色體三維構(gòu)象的基本結(jié)構(gòu)單元。”吳波說。
他們進(jìn)一步解析了結(jié)構(gòu)域邊界特征，并發(fā)現(xiàn)了一類重要的轉(zhuǎn)錄因子，即鐵吸收調(diào)節(jié)蛋白（Fur）家族。在運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌中，調(diào)節(jié)蛋白家族中還包括鋅吸收調(diào)節(jié)蛋白（Zur）。“如果敲除這兩個(gè)相關(guān)基因，會(huì)嚴(yán)重影響該菌的抗逆乙酸和呋喃甲醛表型。”陳茂說。
何明雄解釋說，細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄因子對(duì)于細(xì)菌適應(yīng)逆境至關(guān)重要，因?yàn)檫@些蛋白可以調(diào)控一系列基因表達(dá)，從而影響細(xì)菌的生理代謝過程。以往研究主要關(guān)注轉(zhuǎn)錄因子最主要的功能——調(diào)節(jié)基因表達(dá)，是從一維水平上闡述這些調(diào)節(jié)的重要性。但轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合在染色體上調(diào)節(jié)基因表達(dá)的同時(shí)，有可能對(duì)三維構(gòu)象產(chǎn)生影響。
“我們的研究不僅表明轉(zhuǎn)錄因子有調(diào)節(jié)基因表達(dá)適應(yīng)環(huán)境的能力，而且維持了染色體三維構(gòu)象的穩(wěn)定性。”何明雄說，這是首次在細(xì)菌中證實(shí)全局性轉(zhuǎn)錄因子具有調(diào)控染色體三維構(gòu)象的能力。
該研究從全新角度闡釋了“結(jié)構(gòu)決定功能”這一核心分子生物學(xué)問題，揭示了抗逆表型形成的分子機(jī)制，為認(rèn)識(shí)原核生物基因組結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系提供了新的科學(xué)依據(jù)。
何明雄強(qiáng)調(diào)，抗逆分子機(jī)制的解析有利于對(duì)菌株直接進(jìn)行理性設(shè)計(jì)。所謂理性設(shè)計(jì)是基于對(duì)微生物學(xué)、代謝途徑和基因組學(xué)等的深入理解，通過精確設(shè)計(jì)和調(diào)控微生物的基因組、代謝途徑或生理特性來實(shí)現(xiàn)特定的育種目標(biāo)。從染色體結(jié)構(gòu)角度關(guān)注染色體相互作用對(duì)理性設(shè)計(jì)的影響，可以提高表型進(jìn)化的效率。
“我們的研究尚處于初級(jí)階段，未來我們將積極探索三維基因組在合成生物學(xué)中的應(yīng)用。”何明雄說，搞清楚運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌的抗逆機(jī)制，就有望高效利用秸稈等農(nóng)林廢棄物，甚至開發(fā)出新的“細(xì)胞工廠”。
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