丙酮丁醇梭菌半胱氨酸合成途径中铁氧还蛋白和胱硫醚-γ-裂解酶基因功能

【目的】探究丙酮丁醇梭菌半胱氨酸合成代谢途径上铁氧还蛋白和胱硫醚-γ-裂解酶基因的功能。【方法】使用ClosTron系统对半胱氨酸合成途径上的铁氧还蛋白基因(fer)和胱硫醚-γ-裂解酶基因(mccB)进行失活,得到突变株;在不同硫源的培养基中进行分批发酵,分析突变株的生长特点;通过pH控制,使用限磷的连续发酵方法将丙酮丁醇梭菌维持在产酸期和产溶剂期,分析野生型菌株和突变株在连续发酵中的生长情况。【结果】成功构建Δfer和ΔmccB突变株。在分批发酵中,敲除fer基因的突变株无法利用硫酸盐作为硫源,但添加亚硫酸盐或半胱氨酸可以使其恢复生长;在以半胱氨酸为唯一硫源进行分批发酵时,其终浓度1 mmol/L时不会影响野生型与Δfer突变株的生长,但高于1 mmol/L时生长均会受到抑制。在连续发酵中,Δfer突变株不能在产溶剂阶段生长,添加过量的半胱氨酸也不能恢复生长;敲除mccB基因的突变株仍能在添加甲硫氨酸的培养基中生长,但最大OD仅为野生型的57%;相较于野生型,ΔmccB突变株在产酸期和产溶剂期的生长均受到抑制。【结论】fer基因为半胱氨酸合成途径中硫酸盐还原为亚硫酸盐的关键基因,其控制合成的半胱氨酸不能完全由外源的半胱氨酸替代,敲除后对生长的抑制主要表现在连续发酵中的产溶剂阶段。mccB基因参与调控甲硫氨酸转化为半胱氨酸的过程,其敲除会影响甲硫氨酸到半胱氨酸的转化,但不会阻断该生物反应过程。     

丙酮丁醇梭菌发酵菊芋汁生产丁醇

对丙酮丁醇梭菌Clostridium acetobutylicum L7发酵菊芋汁酸水解液生产丁醇进行了初步研究。实验结果表明,以该水解液为底物生产丁醇,不需要添加氮源和生长因子。当水解液初始糖浓度为48.36 g/L时,其发酵性能与以果糖为碳源的对照组基本相同,发酵终点丁醇浓度为8.67 g/L,丁醇、丙酮和乙醇的比例为0.58∶0.36∶0.06,但与以葡萄糖为碳源的对照组相比,发酵时间明显延长,表明该菌株葡萄糖转运能力强于果糖。当水解液初始糖浓度提高到62.87 g/L时,发酵终点残糖浓度从3.09 g/L增加到3.26 g/L,但丁醇浓度却提高到11.21 g/L,丁醇、丙酮和乙醇的比例相应为0.64∶0.29∶0.05,表明适量糖过剩有助于C.acetobutylicum L7胞内代谢从丙酮合成向丁醇合成途径调节;继续提高水解液初始糖浓度,发酵终点残糖浓度迅速升高,丁醇生产的技术经济指标受到明显影响。     

丙酮丁醇梭菌丁醇耐受性

丁醇在发酵培养基中的积累所产生的毒性问题是限制丁醇产量的重要因素,然而对于Clostridium acetobutylicum是如何适应丁醇胁迫,进而调节菌体生长和代谢的,目前尚缺乏系统研究,不能全面揭示C.acetobutylicum的丁醇耐受性机制.对丙酮丁醇梭菌丁醇耐受性有关的研究成果进行了综述,旨在深入理解菌株丁醇耐受性发生改变的相关分子基础.希望为进行微生物丁醇耐受性分子机制的改造、提高菌株的丁醇耐受性提供新的研究思路.     

植物硫氧还蛋白系统

硫氧还蛋白是一类催化二硫键氧化还原的小蛋白,它通过调控细胞中氧化还原状态发挥重要的作用。在植物中,硫氧还蛋白系统尤为复杂,参与了植物的新陈代谢、转录翻译调控、信号传导以及植物的抗逆反应等。本文主要通过对植物硫氧还蛋白分类、活性位点、结构以及3种硫氧还蛋白系统研究现状进行概述,并对植物的硫氧还蛋白及系统进行了展望,从而较为全面地综述了植物的硫氧还蛋白系统,为进一步了解硫氧还蛋白在植物体内的作用机制奠定基础,也为今后的相关研究提供参考。     

丙酮丁醇梭菌XY16丁醇发酵特性

以诱变选育的1株突变菌株丙酮丁醇梭菌XY16为对象,对影响该菌发酵特性的相关因素(N源、生长因子、热激)进行研究。结果显示:无机N源乙酸铵比其他N源更有利于丙酮丁醇的发酵,玉米浆或玉米蛋白可以直接替代生长因子进行丙酮丁醇发酵,热激可以提高总溶剂产量,最高可以达到21.28 g/L。该菌还可以同时利用葡萄糖和木糖,当葡萄糖利用完后,木糖才能被有效利用。     

丙酮丁醇梭菌的遗传操作系统

丙酮丁醇梭菌是极具潜力的替代燃料——生物丁醇的合成菌,受到各国研究者的普遍关注。丙酮丁醇梭菌菌株改造是生物丁醇产业化进程中的一项重要工作,其中遗传操作是核心内容之一。以下对丙酮丁醇梭菌的遗传操作系统的发展历史、种类和原理进行了综述,分析了目前几种遗传操作系统的局限性,并对其发展进行了展望。     

硫氧还蛋白相互作用蛋白在糖尿病及其并发症中的作用

硫氧还蛋白相互作用蛋白(thioredoxin-interacting protein,TXNIP)又称维生素D₃上调蛋白1,因其能够与硫氧还蛋白(thioredoxin,Trx)结合并抑制其活性和表达而得名。本文概述了TXNIP的发现与结构,及其自身通过发挥调节糖脂代谢的作用进而影响糖尿病前期的发生发展。并在此基础上总结了TXNIP参与糖尿病发生发展的2条主要途径:TXNIP通过拮抗Trx的抗凋亡作用来激发细胞凋亡信号导致胰岛细胞凋亡;TXNIP过表达促使胰岛细胞磷酸化,进而使抑癌相关蛋白质表达增加,最终引起胰岛细胞衰老。进一步重点阐述了TXNIP在糖尿病心肌病、糖尿病肾病、糖尿病性视网膜病等糖尿病并发症中的作用:TXNIP能通过各种间接途径干预信号通路,进一步参与氧化应激、细胞凋亡、激活炎症、细胞自噬及糖脂代谢等生理生化过程。TXNIP具有极其重要的生物学功能,深入了解TXNIP在糖尿病及其并发症中的影响机制,对糖尿病及其并发症的治疗具有重要意义。最后对TXNIP的研究进行了展望,未来可进一步着手研究TXNIP基因是如何与其他基因或危险因素协同作用,进而共同参与糖尿病及其并发症的发生发展,且TXNIP单个基因甲基化尚不能全面揭示糖尿病及其并发症发生的分子机制,这些后续的深入研究,将为在糖尿病及其并发症的诊断与治疗中作为靶标分子的应用奠定基础。     

硫氧还蛋白在凋亡途径中的作用机制

硫氧还蛋白（Trx）是体内广泛存在的氧化还原蛋白,其家族中两种重要的硫氧还蛋白：硫氧还蛋白1（thioredoxin1,Trx1）和硫氧还蛋白2（thioredoxin2,Trx2）都含有保守的-Cys-Gly-Pro-Cys-还原序列。由于Trx具有调节细胞生长增殖和抗凋亡的作用,因此Trx在凋亡途径中的作用机制就成为了对抗肿瘤的研究热点。     

丙酮丁醇梭菌磷酸化蛋白质组分析

近年的研究揭示,细菌细胞中蛋白质的磷酸化状态可能调节信号或代谢通路的生物活性。丙酮丁醇梭菌是一个重要的工业菌株,在酸性条件下能够生成大量的有机溶剂。然而,调节丙酮丁醇梭菌有机溶剂生成的分子机制尚未完全阐明。采用双向电泳和质谱联用的技术,比较了该菌在产酸期与产有机溶剂期间的差异蛋白质谱图。特别关注了那些分子量接近但具有不同等电点的蛋白质。在高有机溶剂生成速率的丙酮丁醇梭菌中,发现了8个电泳斑点簇呈现明显的酸移而且伴随光密度强度的变化。质谱分析数据表明,这些蛋白质均含有磷酸化修饰的肽段。生物信息学分析预示,这些蛋白质参与了有机溶剂的生成过程。但究竟它们的磷酸化状态如何调控有机溶剂生成仍需更为深入地研究。     

丙酮丁醇梭菌的基因编辑工具及代谢工程改造

丙酮丁醇梭菌作为极具潜力的新型生物燃料丁醇的生产菌,受到各国研究学者的广泛关注。通过丙酮丁醇梭菌(ABE)发酵生产丁醇,由于生产成本高,限制了其工业化应用。随着基因组学和分子生物学的快速发展,适用于丙酮丁醇的基因编辑工具不断发展并应用于提高菌株的发酵性能。本文对丙酮丁醇梭菌基因编辑工具和代谢工程改造取得的进展进行综述。     

解纤维梭菌脱水四环素诱导的ClosTron基因打靶系统构建

【背景】解纤维梭菌是发酵木质纤维素生产乙醇的中温模式菌株,构建可控诱导的基因打靶技术是研究解纤维梭菌遗传调控的重要手段。【目的】在解纤维梭菌中构建脱水四环素诱导的ClosTron基因打靶系统。【方法】首先,分析解纤维梭菌对脱水四环素的敏感性,筛选合适的诱导剂浓度,并以β-葡萄糖苷酶为报告基因,检测其在解纤维梭菌中的诱导效果。然后,将脱水四环素诱导型操纵子与II型内含子元件组合,构建脱水四环素诱导的ClosTron质粒。最后,以解纤维梭菌mspI、ldh和ack为例,检测其在解纤维梭菌中的打靶效率。【结果】脱水四环素诱导系统在解纤维梭菌中能够诱导ClosTron元件表达,在mspI、ldh和ack这3个基因位点的打靶效率分别为29.48%±15.51%、23.61%±7.08%和28.09%±6.97%。【结论】在解纤维梭菌中成功构建脱水四环素诱导的ClosTron基因打靶系统,为梭菌基因工程改造奠定了基础。     

Improvement of xylose utilization in Clostridium acetobutylicum via expression of the talA gene encoding transaldolase from Escherichia coli

Clostridium acetobutylicum ATCC 824 was metabolically engineered for improved xylose utilization. The gene talA, which encodes transaldolase from Escherichia coli K-12, was cloned and overexpressed in C. acetobutylicum ATCC 824. Compared with C. acetobutylicum ATCC 824 (824-WT), the transformant bearing the E. coli talA gene (824-TAL) showed improved ability on xylose utilization and solvents production using xylose as the sole carbon source. During the fermentation of xylose and glucose mixtures with three xylose/glucose ratios (approximately 1:2, 1:1 and 2:1), the rate of xylose consumption and final solvents titers of 824-TAL were all higher than those of 824-WT, despite glucose repression on xylose uptake still existing. These results suggest that the insufficiency of transaldolase in the pentose phosphate pathway (PPP) of C. acetobutylicum is one of the bottlenecks for xylose metabolism and therefore, overexpressing the gene encoding transaldolase is able to improve xylose utilization and solvent production.     

A coupled two-stage continuous fermentation for solvent production by Clostridium acetobutylicum

The effects of nitrogen and phosphate in batch and continuous AEB fermentations were tested. Both nitrogen- and phosphate-limited fermentations favored acid formation but not solvent production. A coupled two-stage continuous fermentation was performed for 30 days with a nitrogen-limited first stage fermentation for enhanced acid production. The bacteria from the acidogenic phase (first stage) fermentation were continuously pumped into a 14-l second stage fermentor with supplemental glucose and nitrogen for solvent production. The second stage fermentor had a maximum butanol productivity of 0.4 g l⁻¹ h⁻¹ (total solvent production was 0.6 g l⁻¹ h⁻¹) at a dilution rate of 0.06 h⁻¹.     

Disruption of the acetoacetate decarboxylase gene in solvent-producing Clostridium acetobutylicum increases the butanol ratio

A possible way to improve the economic efficacy of acetone–butanol–ethanol fermentation is to increase the butanol ratio by eliminating the production of other by-products, such as acetone. The acetoacetate decarboxylase gene (adc) in the hyperbutanol-producing industrial strain Clostridium acetobutylicum EA 2018 was disrupted using TargeTron technology. The butanol ratio increased from 70% to 80.05%, with acetone production reduced to approximately 0.21 g/L in the adc-disrupted mutant (2018adc). pH control was a critical factor in the improvement of cell growth and solvent production in strain 2018adc. The regulation of electron flow by the addition of methyl viologen altered the carbon flux from acetic acid production to butanol production in strain 2018adc, which resulted in an increased butanol ratio of 82% and a corresponding improvement in the overall yield of butanol from 57% to 70.8%. This study presents a general method of blocking acetone production by Clostridium and demonstrates the industrial potential of strain 2018adc.     

一株抑制产气荚膜梭菌的枯草芽孢杆菌BS-2特性

【背景】感染产气荚膜梭菌会引起动物坏死性肠炎,通常使用抗生素进行预防和治疗。随着我国饲料禁抗、养殖减抗的实施,寻找绿色微生态制剂及其代谢产物成为当前研究的热点。【目的】旨在研究前期筛选的一株抑制产气荚膜梭菌的枯草芽孢杆菌BS-2特性。【方法】检测了菌株生长曲线、代谢物质的抑菌特性及细菌素基因簇mRNA表达。【结果】枯草芽孢杆菌BS-2代谢物质对革兰氏阴性菌无抑制作用,而对革兰氏阳性菌具有较强的抑菌性能,并且对产气荚膜梭菌的抑菌性能在2-12 h内迅速增长,在12-24 h内抑菌性能较稳定;该抑菌性能不受胃蛋白酶、胰蛋白酶、蛋白酶K的影响,具有良好的热稳定性;进一步分析抑菌物质基因簇mRNA表达,发现枯草芽孢杆菌BS-2抑制产气荚膜梭菌的活性可能与表面活性素(surfactin)和美杀菌素(mersacidin)表达有关。【结论】枯草芽孢杆菌BS-2对产气荚膜梭菌具有较强的抑制作用,可能通过抑菌物质surfactin和mersacidin表达发挥作用。     

Characterization of an ATP-binding cassette from Clostridium perfringens with homology to an ABC transporter from Clostridium hathewayi

A ciprofloxacin-resistant mutant of Clostridium perfringens, strain VPI-C, which had stable mutations in the topoisomerase genes, accumulated less norfloxacin and ethidium bromide than the wild type, strain VPI. Efflux pump inhibitors both increased the accumulation of ethidium bromide by cells of the mutant and enhanced their sensitivity to this toxic dye. Cloning a gene, which codes for a putative ABC transporter protein (NP_562422) of 527 amino acids, from the mutant strain VPI-C into the wild-type strain VPI not only reduced the accumulation of ethidium bromide by the recombinant strain but also reduced its sensitivity to norfloxacin and ciprofloxacin. Efflux pump inhibitors decreased the rate at which ethidium bromide was removed from the cells of the recombinant strain. It appears that the putative ABC transporter protein (NP_562422) may contribute to extrusion of drugs from C. perfringens.