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(jìn)而將其攝入胞內(nèi)為細(xì)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)了5個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因簇，推測(cè)它們可能負(fù)責(zé)纖維寡糖、葡萄糖和昆布二糖的轉(zhuǎn)運(yùn)，但缺乏明確的功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。由于熱纖梭菌的遺傳操作較為困難，在后續(xù)的十多年里國(guó)際上除了一些組學(xué)分析涉及到這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，一直未能清晰闡明熱纖梭菌的糖類攝取機(jī)制。代謝物組學(xué)研究組長(zhǎng)期以來針對(duì)熱纖梭菌開展研究，前期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(zhǔn)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(jī)制提供了有效的手段。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(jī)制。
研究人員首先構(gòu)建了5個(gè)可能的寡糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因簇的敲除和回補(bǔ)突變株，通過生長(zhǎng)表型實(shí)驗(yàn)表明轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白B是唯一的纖維寡糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，而轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白A是唯一的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。研究人員又進(jìn)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(cè)定了轉(zhuǎn)運(yùn)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)上闡明了轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白A和B特異性結(jié)合葡萄糖和纖維寡糖的機(jī)制。不僅如此，研究人員還鑒定出一個(gè)孤立的基因2554是轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白B基因簇中缺失的ATP酶亞基基因，補(bǔ)全了這個(gè)唯一的纖維寡糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的全部組分。前期研究表明熱纖梭菌纖維小體的表達(dá)主要受到一類特殊的Sigma/Anti-sigma因子的調(diào)控，本研究中研究人員發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白B的敲除會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞表面纖維小體凸起的顯著減少，且纖維寡糖對(duì)纖維小體表達(dá)的誘導(dǎo)作用消失，表明轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白B與纖維小體的表達(dá)調(diào)控之間存在偶聯(lián)關(guān)系，這為纖維小體的表達(dá)調(diào)控機(jī)制研究注入了新的內(nèi)容。
糖類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是工業(yè)微生物進(jìn)行代謝工程改造和合成生物學(xué)開發(fā)的重要靶點(diǎn)，揭示工業(yè)微生物的糖類攝取機(jī)制具有重大的潛在應(yīng)用價(jià)值。熱纖梭菌因具有獨(dú)特的纖維小體體系而在木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化中具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)作為特殊的嗜熱底盤細(xì)胞在合成生物學(xué)開發(fā)中也具有應(yīng)用潛力。該項(xiàng)研究闡明了熱纖梭菌的寡糖和葡萄糖攝取機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了寡糖攝取與纖維小體的表達(dá)調(diào)控的偶聯(lián)關(guān)系，不僅加深了人們對(duì)熱纖梭菌的生理和代謝機(jī)制的認(rèn)識(shí)，更有助于促進(jìn)基于熱纖梭菌和纖維小體的生物能源技術(shù)和合成生物學(xué)技術(shù)的開發(fā)。
該項(xiàng)研究由青島能源所代謝物組學(xué)研究組完成，博士研究生顏飛、東升副研究員和劉亞君研究員為論文的共同第一作者，崔球研究員和馮銀剛研究員為論文的通訊作者。以色列Weizmann科學(xué)研究所的Edward A. Bayer教授和Technion技術(shù)研究所的Yuval Shoham教授、中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的游淳研究員也對(duì)該研究做出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、山東能源研究院、中科院、青島市等多個(gè)基金項(xiàng)目的支持。
Fei Yan#, Sheng Dong#, Ya-Jun Liu#, Xingzhe Yao, Chao Chen, Yan Xiao, Edward A. Bayer, Yuval Shoham, Chun You, Qiu Cui*, Yingang Feng*. Deciphering cellodextrin and glucose uptake in Clostridium thermocellum. mBio (2022)
