微生物酸胁迫耐受性能强化的研究进展

微生物在发酵生产中常面临各种酸性物质的累积，由此造成的酸胁迫严重抑制了菌株的发酵活力和生产性能。因此，微生物在长期进化过程中，通过协调胞内的多个生理系统、代谢途径和调控网络形成了复杂的响应机制以应对低pH胁迫。工业微生物酸胁迫耐受性能的强化是提高其生产效率的关键手段。本文概述了近年来利用适应性实验室进化、预适应、基因组重排、基因工程、全局转录机制工程、系统生物学和合成生物学等方法提高微生物耐酸性能的研究进展，并讨论了相关研究面临的挑战和未来的发展方向。     

工业微生物的酸胁迫响应及其抵御策略

有机酸的积累在工业发酵过程中是一个较为普遍的现象,会导致发酵体系pH的降低,进而引起酸胁迫,限制细胞生长及目标产物的积累。针对这一问题,本文阐述了工业微生物应对酸胁迫所发生的生理变化,提出了微生物在酸性环境中可能的3种自我调节机制,概括总结了目前提高微生物酸耐受性的策略及各自的优缺点,指出了未来可能的发展方向,以期为提高工业微生物的酸耐受性提供思路。     

工业微生物发酵过程中pH调控研究进展

pH是影响微生物生长的重要因素。工业发酵过程中,p H调控波动产生酸/碱胁迫,进而影响到微生物细胞的生长及目标产物的积累。阐述了工业微生物在发酵体系pH波动时所发生的生理变化,总结了目前工业发酵中pH调控的主要策略及各自的优缺点,并指出了未来p H调控的发展方向,以期为发酵工业pH调控提供新的思路。     

乳酸菌酸胁迫反应机制研究进展

乳酸菌可发酵糖类产生乳酸,并广泛应用于食品、药物和饲料等工业。由于有机酸的积累,乳酸菌大部分的生长代谢都在低pH的酸性环境中进行,具有酸胁迫反应。pH的自我平衡、ATR反应机制、对大分子的保护和修复作用及细胞膜的变化等是乳酸菌酸胁迫反应的主要机制,其中,pH自我平衡包括F0F1-ATPase质子泵、精氨酸脱氨酶途径(ADI)和谷氨酸脱羧酶途径(GAD)等。由此可见,乳酸菌酸胁迫反应机制涉及到基因和蛋白的表达调控等,是非常复杂的网络调控体系。     

耐受性工程调控微生物细胞工厂胁迫抗性

微生物细胞工厂的生产效率是由菌株生长性能、产品合成能力和胁迫抗性共同决定的,其中增强微生物细胞工厂的胁迫抗性是关键.耐受性工程基于微生物细胞工厂抵御胁迫压力的应激反应机制,通过巩固壁膜屏障增强胁迫防御能力,加快应激反应提高损伤修复能力,创制耐受进化工具筛选鲁棒性增强的工业微生物.文中分析归纳了耐受性工程的调控策略,并展...     

工业微生物在渗透胁迫下的应激反应及保护措施

发酵工业作为生物技术产业的重要组成部分,在我国工业结构中占据了极大比重,而在工业发酵后期菌体代谢物、中和剂以及补料物的累积使微生物受到极大的渗透胁迫,严重影响了细胞生长及目标产物代谢,致使发酵产量与效率偏低。本文主要针对高渗胁迫下微生物的细胞结构、应答途径、基因、蛋白、代谢、分裂机制进行综述与分析,并以微生物菌种特性结合工业发酵技术为改良思路,从菌种改良、外源添加保护剂、改良中和剂、去除渗透抑制因子、膜过滤技术等方面找寻潜在渗透保护措施,以期为发酵行业生产力水平的提升、节能减排降耗提供参考。     

谷氨酸棒杆菌耐受胁迫机制及工业鲁棒性合成生物学研究进展

谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum作为一般被认为具有生物安全性的一种模式工业微生物,不仅在发酵工业中成功用于大规模生产氨基酸,而且具有合成多种新型化学品的潜力。谷氨酸棒杆菌菌株在生产化合物时,经常会受到各种逆境条件的胁迫,从而降低细胞活力和生产性能。合成生物学的发展为提高谷氨酸棒杆菌的鲁棒性提供了新的技术手段。本文总结了谷氨酸棒杆菌应对发酵过程中各种胁迫的耐受机制。同时,重点介绍提高谷氨酸棒杆菌底盘细胞鲁棒性和耐受性的合成生物学新策略,包括挖掘新的抗逆元件、改造转录调控因子、利用适应性进化策略挖掘抗逆功能模块等。最后,从生物传感器、转录调控因子的筛选和设计、多种调控元件利用等方面对提高谷氨酸棒杆菌底盘细胞鲁棒性进行了展望。     

基于蛋白表达分析的干酪乳杆菌ATCC393交互胁迫保护机制

为考察干酪乳杆菌典型株ATCC393在交互胁迫环境下的生理应答机制,应用二维电泳和iTRAQ技术在蛋白水平上比较了交互胁迫前后干酪乳杆菌蛋白质组的变化情况。在对不同处理条件下细胞全蛋白的二维电泳分析中发现,干酪乳杆菌的主要蛋白分布在等电点pI4～7的范围,经酸预适应处理后细胞的蛋白表达产生了较大的变化。通过iTRAQ技术对细胞在酸适应前后以及相应致死条件下蛋白表达的定性及相对定量分析得知,酸诱导所产生的热胁迫应激蛋白（dnaK,dnaJ等）、氧胁迫应激蛋白（mutS,YeaO）以及与代谢相关的酶类上调可能是提高细胞对交互胁迫耐受能力的主要原因,而酸适应后GTP环化水解酶I和GMP合成酶的高表达可能与这一过程的诱导有关。上述研究结果为提高工业生产菌株在发酵生产及加工过程中对外界不利环境的抵御能力,进而通过调控与微生物生理应答机制密切相关的功能元器件实现生产菌株的性能强化提供了重要的生物信息和可借鉴的研究思路。     

XRE家族转录因子XrpA调控粘质沙雷氏菌的耐酸能力

【背景】工业菌株的耐酸能力是发酵过程中的一大挑战。粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)作为肠杆菌科的一种细菌,可生成2,3-丁二醇、乙偶姻和灵菌红素等高附加值产品。然而目前对于粘质沙雷氏菌酸耐受能力的分子机制尚不清楚。【目的】通过对转录调控因子XrpA的挖掘以及对其功能的研究,探究粘质沙雷氏菌酸耐受能力的分子机制,为改善工业菌株耐酸能力提供新的策略。【方法】通过对粘质沙雷氏菌进行转座子插入突变,构建了一个Tn5G转座子插入突变文库,利用文库筛选了一株酸敏感型突变株,并对其进行测序鉴定;同时还对突变菌株中与耐酸相关关键基因的转录水平以及细胞膜通透性、细胞膜完整性和H+-ATPase的活性变化进行检测。【结果】发现了一个响应酸胁迫的转录调控因子BVG90₂3400,其属于XRE超级家族转录调控因子,命名为XrpA。在酸性条件下,与野生型菌株(JNB5-1)相比,xrpA被阻断后导致了粘质沙雷氏菌多种表型的变化,其中包括生物量显著下降、H+-ATPase活性降低、细胞膜的通透性以及完整性受到破坏。【结论】XrpA影响粘质沙雷氏菌耐酸能力的分子机制是通过...     

Protective mechanism of Lactobacillus casei ATCC393 against multiple stresses by proteomics analysis

为考察干酪乳杆菌典型株ATCC 393在交互胁迫环境下的生理应答机制,应用二维电泳和iTRAQ技术在蛋白水平上比较了交互胁迫前后干酪乳杆菌蛋白质组的变化情况.在对不同处理条件下细胞全蛋白的二维电泳分析中发现,干酪乳杆菌的主要蛋白分布在等电点pI 4～7的范围,经酸预适应处理后细胞的蛋白表达产生了较大的变化.通过iTRAQ技术对细胞在酸适应前后以及相应致死条件下蛋白表达的定性及相对定量分析得知,酸诱导所产生的热胁迫应激蛋白( dna K,dna J等)、氧胁迫应激蛋白(mut S,rec O)以及与代谢相关的酶类上调可能是提高细胞对交互胁迫耐受能力的主要原因,而酸适应后GTP环化水解酶Ⅰ和GMP合成酶的高表达可能与这一过程的诱导有关.上述研究结果为提高工业生产菌株在发酵生产及加工过程中对外界不利环境的抵御能力,进而通过调控与微生物生理应答机制密切相关的功能元器件实现生产菌株的性能强化提供了重要的生物信息和可借鉴的研究思路.     

精氨酸代谢途径抗酸关键基因对乳酸乳球菌Lactococcus lactis NZ9000胁迫抗性的影响

【目的】寻找精氨酸代谢途径中与酸胁迫相关的关键作用因素。【方法】通过在Lactococcus lactis NZ9000中分别过量表达来源于Lactobacillus casei Zhang的精氨酰琥珀酸合成酶(ASS)和精氨酰琥珀酸裂解酶(ASL)改变精氨酸代谢提高酸胁迫抗性。【结果】与对照菌株对比,重组菌株在环境胁迫下表现了较高的生长性能、存活率和发酵性能。生理学分析发现,酸胁迫环境下,重组菌株细胞有较高的胞内NH4+、ATP含量和H+-ATPase活性,并显著提高了精氨酸脱亚胺酶(ADI)途径中的氨基酸浓度。进一步的转录分析发现,天冬氨酸合成、精氨酸代谢相关的基因转录水平上调。【结论】在L.lactis NZ9000中过量表达ASS或ASL可以引发精氨酸代谢流量的上调,进而提高了细胞的多种胁迫抗性。精氨酸合成途径广泛存在于多种微生物中,为微生物,尤其是工业微生物提高胁迫抗性提供了新思路。     

微生物耐受乙醇与丁醇机制及其在生物燃料生产与生物转化中的应用

生物法获取乙醇与丁醇过程中有机溶剂的毒性是生产菌重要环境胁迫因素之一,且当有机溶剂超过一定浓度时便会抑制微生物的生长,甚至引起微生物的死亡,因此提高工业微生物的有机溶剂耐受性对工业生产具有重要的意义。对微生物乙醇及丁醇耐受机制的研究可为选育具有较强溶剂耐受菌提供理论基础。本文系统介绍了微生物耐受乙醇与丁醇的机制,并对其在生物燃料生产及生物转化中面临的机遇与挑战等问题进行简要的评述。     

Comparative functional genomics to reveal the molecular basis of phenotypic diversities and guide the genetic breeding of industrial yeast strains

An understanding of the genetic basis underlying the phenotypic variations of yeast strains would guide the breeding of this useful microorganism. Here, comparative functional genomics (CFG) of two bioethanol Saccharomyces cerevisiae strains (YJS329 and ZK2) with different stress tolerances and ethanol fermentation performances were performed. Our analysis indicated that different patterns of gene expression in the central carbon metabolism, antioxidative factors, and membrane compositions of these two strains are the main contributors to their various traits. Some of the differently expressed genes were directly caused by the genomic structural variations between YJS329 and ZK2. Moreover, CFG of these two strains also led to novel insights into the mechanism of stress tolerance in yeast. For example, it was found that more oleic acid in the plasma membrane contributes to the acetic acid tolerance of yeast. Based on the genetic information particular to each strain, strategies to improve their adaptability and ethanol fermentation performances were designed and confirmed. Thus, CFG could not only help reveal basis of phenotypic diversities but also guide the genetic breeding of industrial microorganisms.     

酿酒酵母乙酸耐性分子机制的功能基因组进展

提高工业酿酒酵母对高浓度代谢产物及原料中的毒性底物等环境胁迫因素的耐受性,对提高工业生产效率具有重要的意义。乙酸是纤维素原料水解产生的主要毒性副产物之一,其对酵母细胞的生长和代谢都具有较强的抑制作用,因此,对酿酒酵母乙酸耐性分子机制的研究可为选育优良菌种提供理论依据。近年来,通过细胞全局基因表达分析和代谢组分析,以及对单基因敲除的所有突变体的表型组研究,对酿酒酵母乙酸耐性的分子机制有了更多新的认识,揭示了很多新的与乙酸毒性适应性反应和乙酸耐性提高相关的基因。综述了近年来酿酒酵母乙酸耐性的基因组规模的研究进展,以及在此基础上构建乙酸耐性提高的工业酵母菌的代谢工程操作。结合本课题组的研究,对金属离子锌在酿酒酵母乙酸耐性中的作用进行了深入分析。未来对酿酒酵母乙酸耐性分子机理的认识及改造将深入到翻译后修饰和合成生物学等新的水平,所获得的认知,将为选育可高效进行纤维素原料生物转化、高效生产生物燃料和生物基化学品的工业酿酒酵母的菌株奠定理论基础。     

Stress tolerance and growth physiology of yeast strains from the Brazilian fuel ethanol industry

Improved biofuels production requires a better understanding of industrial microorganisms. Some wild Saccharomyces cerevisiae strains, isolated from the fuel ethanol industry in Brazil, present exceptional fermentation performance, persistence and prevalence in the harsh industrial environment. Nevertheless, their physiology has not yet been systematically investigated. Here we present a first systematic evaluation of the widely used industrial strains PE-2, CAT-1, BG-1 and JP1, in terms of their tolerance towards process-related stressors. We also analyzed their growth physiology under heat stress. These strains were evaluated in parallel to laboratory and baker’s strains. Whereas the industrial strains performed in general better than the laboratory strains under ethanol or acetic acid stresses and on industrial media, high sugar stress was tolerated equally by all strains. Heat and low pH stresses clearly distinguished fuel ethanol strains from the others, indicating that these conditions might be the ones that mostly exert selective pressure on cells in the industrial environment. During shake-flask cultivations using a synthetic medium at 37 °C, industrial strains presented higher ethanol yields on glucose than the laboratory strains, indicating that they could have been selected for this trait—a response to energy-demanding fermentation conditions. These results might be useful to guide future improvements of large-scale fuel ethanol production via engineering of stress tolerance traits in other strains, and eventually also for promoting the use of these fuel ethanol strains in different industrial bioprocesses.     

Improved acid-stress tolerance of <Emphasis Type="Italic">Lactococcus lactis</Emphasis> NZ9000 and <Emphasis Type="Italic">Escherichia coli</Emphasis> BL21 by overexpression of the anti-acid component <Emphasis Type="Italic">recT</Emphasis>

Acid accumulation caused by carbon metabolism severely affects the fermentation performance of microbial cells. Here, different sources of the recT gene involved in homologous recombination were functionally overexpressed in Lactococcus lactis NZ9000 and Escherichia coli BL21, and their acid-stress tolerances were investigated. Our results showed that L. lactis NZ9000 (ERecT and LRecT) strains showed 1.4- and 10.4-fold higher survival rates against lactic acid (pH 4.0), respectively, and that E. coli BL21 (ERecT) showed 16.7- and 9.4-fold higher survival rates than the control strain against lactic acid (pH 3.8) for 40 and 60 min, respectively. Additionally, we found that recT overexpression in L. lactis NZ9000 improved their growth under acid-stress conditions, as well as increased salt- and ethanol-stress tolerance and intracellular ATP concentrations in L. lactis NZ9000. These findings demonstrated the efficacy of recT overexpression for enhancing acid-stress tolerance and provided a promising strategy for insertion of anti-acid components in different hosts.     

酿酒酵母乙醇耐性的分子机制及基因工程改造

提高工业微生物对毒性代谢产物及高温等环境胁迫因素的耐受性对工业生产具有重要的意义。发酵过程中产生的乙醇对酵母细胞的生长和代谢都具有较强的抑制作用,是酿酒酵母的重要环境胁迫因素之一。对酿酒酵母乙醇耐性的分子机制的研究可为选育具有较强乙醇耐受性的酵母菌种提供理论基础。近年来,通过细胞全局基因转录分析和基因功能分析,对酿酒酵母乙醇耐性的分子机制有了更多新的认识,揭示了很多新的与乙醇耐性相关的基因,并在此基础上,通过对相关基因进行过量表达或敲除,成功提高了酵母菌的乙醇耐性。以下综述了近年来酵母菌乙醇耐性的生物化学与分子生物学机制的研究进展,以及构建具有较高乙醇耐性的酵母菌的基因工程操作。这些研究不仅加深了对酿酒酵母乙醇耐性的机理认识,也可为高效进行生物转化生产生物质能源奠定理论基础。     

利用人工锌指文库选育高乙醇耐受性工业酵母菌株

选育高乙醇耐性的酿酒酵母菌株对提高燃料乙醇的发酵效率具有重要意义.锌指蛋白广泛存在于多种生物中,对基因的转录和翻译起重要的调节作用.利用人工设计的锌指蛋白可定向设计锌指序列及其排列顺序,实现对细胞内多个基因的全局调控.由于与环境胁迫反应相关的基因很多,因此可利用人工锌指蛋白技术获得耐受性提高的微生物重组菌.文中将人工锌指文库转入到酿酒酵母模式菌株S288c,选育了具有高乙醇耐受性的重组菌株M01,并分离了与乙醇耐受性提高相关的人工锌指蛋白表达载体pRS316ZFP-M01,转入工业酿酒酵母Sc4126,在含有不同浓度乙醇的平板上,工业酵母Sc4126的重组菌株表现出显著的耐受性提高.在高糖培养基(250 g/L)条件下进行乙醇发酵,发现重组菌的乙醇发酵效率明显快于野生型,发酵时间提前24 h,且发酵终点乙醇浓度提高6.3％.结果表明人工锌指文库能够提高酵母的乙醇耐受性,为构建发酵性能优良的酵母菌种奠定了基础.     

Drug resistance marker-aided genome shuffling to improve acetic acid tolerance in <Emphasis Type="Italic">Saccharomyces cerevisiae</Emphasis>

Acetic acid existing in a culture medium is one of the most limiting constraints in yeast growth and viability during ethanol fermentation. To improve acetic acid tolerance in Saccharomyces cerevisiae strains, a drug resistance marker-aided genome shuffling approach with higher screen efficiency of shuffled mutants was developed in this work. Through two rounds of genome shuffling of ultraviolet mutants derived from the original strain 308, we obtained a shuffled strain YZ2, which shows significantly faster growth and higher cell viability under acetic acid stress. Ethanol production of YZ2 (within 60 h) was 21.6% higher than that of 308 when 0.5% (v/v) acetic acid was added to fermentation medium. Membrane integrity, higher in vivo activity of the H⁺-ATPase, and lower oxidative damage after acetic acid treatment are the possible reasons for the acetic acid-tolerance phenotype of YZ2. These results indicated that this novel genome shuffling approach is powerful to rapidly improve the complex traits of industrial yeast strains.