近期，江南大學(xué)生物工程學(xué)院陳堅(jiān)院士課題組張娟教授團(tuán)隊(duì)在提高大腸桿菌耐受性以增長D-乳酸生產(chǎn)能力方面取得重要進(jìn)展，研究成果“[NiFe] Hydrogenase Accessory Proteins HypB?HypC Accelerate Proton Conversion to Enhance the Acid Resistance and D?Lactic Acid Production ofEscherichia coli”正式發(fā)表于ACS Synthetic Biology（IF = 5.11） （https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssynbio.1c00599）。江南大學(xué)2017級博士研究生楊謹(jǐn)華為第一作者，堵國成教授和張娟教授為論文的通訊作者。

 

　　大腸桿菌因其具有發(fā)酵周期短、能量需求量小等優(yōu)勢，是D-乳酸的主要工業(yè)生產(chǎn)菌株。然而，D-乳酸這一酸性代謝物的積累會導(dǎo)致環(huán)境的pH值迅速下降，破壞細(xì)胞內(nèi)的平衡。為了對抗這種不利的生存環(huán)境，細(xì)胞會分配更多的能量來調(diào)節(jié)抗酸功能因子的表達(dá)和誘導(dǎo)蛋白的表達(dá)，這將導(dǎo)致細(xì)胞的生理活性和生產(chǎn)能力顯著下降。目前，添加中和劑是常用的解決方案，但該法會增加細(xì)胞的滲透壓脅迫，并增加生產(chǎn)成本，且較高的pH值將提升D-乳酸在未解離狀態(tài)下的回收難度。顯然，提高大腸桿菌的耐酸能力是提高細(xì)胞性能和生產(chǎn)價(jià)值的關(guān)鍵，但部分蛋白質(zhì)生理功能的缺失或強(qiáng)化可能會破壞生產(chǎn)菌株中已經(jīng)優(yōu)化的代謝途徑。

 

　　張娟教授團(tuán)隊(duì)針對目前平衡細(xì)胞耐受性和生產(chǎn)能力的問題，借助組學(xué)研究和系統(tǒng)生物學(xué)工具，研究了耐酸性表型的觸發(fā)機(jī)制，即獲得提高D-乳酸耐受性同時(shí)不影響細(xì)胞正常代謝的有效元素。耐酸適應(yīng)性進(jìn)化菌株的轉(zhuǎn)錄組檢測表明，在[NiFe]氫化酶成熟過程中，過表達(dá)編碼附屬蛋白的基因HypB和HypC可以大大提高大腸桿菌在D-乳酸致死脅迫下的生存能力。[NiFe]氫化酶附屬蛋白HypB和HypC是一類可以協(xié)助氫化酶催化質(zhì)子還原生成氫的耐酸因子。在D-乳酸致死脅迫下，加強(qiáng)HypB和HypC的表達(dá)可使細(xì)胞存活率提高336.3倍。此外，HypB和HypC可以幫助D-乳酸生產(chǎn)菌在酸性發(fā)酵環(huán)境中表現(xiàn)出更高的可持續(xù)生產(chǎn)力，D-乳酸滴度將提高113.6%。為了進(jìn)一步完善氫化酶附屬蛋白的表達(dá)體系，本研究引入強(qiáng)酸驅(qū)動型啟動子tdcAp，在保持D-乳酸最大強(qiáng)度生產(chǎn)的同時(shí)，可將發(fā)酵過程中的中和劑需求降低約26.7%。最終，該工程菌在低pH條件下顯著提高了D-乳酸的生產(chǎn)能力和葡萄糖的利用率，并減少了中和劑的使用。這是首次報(bào)道氫化酶附屬蛋白能夠增強(qiáng)大腸桿菌對D -乳酸的耐酸性的研究，基于氫化酶系統(tǒng)的共性，該研究可為提高菌株在有機(jī)酸生產(chǎn)中的耐酸性提供參考。

 

　　上述研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFC1605800）、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室食品科學(xué)與技術(shù)的獨(dú)立研究項(xiàng)目（SKLF-ZZB-202015）的資助。