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谷氨酸棒桿菌是一種重要的傳統(tǒng)工業(yè)微生物，已被代謝改造為微生物細胞工廠，廣泛用于發(fā)酵生產(chǎn)各種氨基酸、核苷酸和有機酸等，具有重要的經(jīng)濟價值。雖然谷氨酸棒桿菌具有一定程度的耐鹽堿生理學(xué)特性，但是發(fā)酵過程中的高鹽或由高鹽引起的高滲透壓等脅迫環(huán)境，仍然嚴重影響菌株生長及代謝活性，從而降低工業(yè)菌株的生物制造效率。因此，探究和解析谷氨酸棒桿菌在高鹽堿等脅迫條件下的生理適應(yīng)機制，對于尋求微生物生理功能*化和目標(biāo)產(chǎn)物積累zui大化的工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)具有重要意義。
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員劉君帶領(lǐng)的微生物生理和代謝改造研究團隊以谷氨酸棒桿菌為研究材料，分析和鑒定出四個潛在的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白（Mrp1-2、NhaP和ChaA），并系統(tǒng)闡述了谷氨酸棒桿菌在鹽堿脅迫等壓力條件下的生理適應(yīng)策略。研究發(fā)現(xiàn)，谷氨酸棒桿菌Mrp1蛋白具有zui顯著的Na+/H+離子轉(zhuǎn)運活性，該蛋白主要在堿性條件下發(fā)揮作用。體內(nèi)實驗進一步證實，Mrp1逆向轉(zhuǎn)運蛋白主要參與菌株在高NaCl和堿性脅迫條件下的耐受性應(yīng)答，Mrp2逆向轉(zhuǎn)運蛋白主要參與菌株在高KCl脅迫條件下的耐受性應(yīng)答，這兩種蛋白同時缺失則會嚴重影響菌株在高鹽堿條件下的正常存活能力。此外，谷氨酸棒桿菌Mrp型Na+/H+轉(zhuǎn)運蛋白的缺失也嚴重影響菌株胞內(nèi)Na+離子和pH穩(wěn)態(tài)，mrp1和mrp2基因的同時缺失會使菌株胞內(nèi)積累更多的毒性Na+離子，從而使胞內(nèi)環(huán)境的堿性增加。進一步通過定點突變分析，鑒定出谷氨酸棒桿菌Mrp1蛋白中多個保守性氨基酸殘基位點，對于Mrp1蛋白活性功能的正常發(fā)揮具有重要作用，其中Mrp1A-K299位點可能是其發(fā)揮作用的關(guān)鍵殘基之一。通過同源建模分析，發(fā)現(xiàn)谷氨酸棒桿菌Mrp1蛋白中的Mrp1A和Mrp1D亞基分別含有一個潛在的離子轉(zhuǎn)運通道，K299位點可能是通過改變離子通道的結(jié)構(gòu)或靈活度來影響離子轉(zhuǎn)運活性。該研究成果有助于更好地理解Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白在谷氨酸棒桿菌抵御鹽堿脅迫中的分子機理，也為提高谷氨酸棒桿菌的生理性能及其工業(yè)應(yīng)用提供新思路。
該研究獲得國家自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金和中科院百人計劃項目的支持，相關(guān)研究結(jié)果已分別發(fā)表于FEMS Microbiology Letters 和applied and Environmental Microbiology 雜志。天津工生所助理研究員徐寧為論文的*作者。(生物谷）
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