植生生态所科研人员在产溶剂梭菌功能元件发掘和设计改造方面取得新进展

1月27日,《Metabolic Engineering》杂志在线发表了中科院上海生科院植物生理生态研究所姜卫红研究组题为“Molecular modulation of pleiotropic regulator CcpA for glucose and xylose coutilization by solvent-producing Clostridium acetobutylicum”的研究论文。

CcpA 蛋白是革兰氏阳性细菌中重要的多效调控因子，全面参与协调细菌的生理代谢过程，其介导的碳代谢物抑制效应（CCR）是细菌应对外界环境变化及控制糖利用的重要机制。目前已知CcpA 蛋白可直接或间接调控细菌中大量基因的表达，且自身具备一定的功能域划分。因此，一个有趣的问题是：是否可通过对CcpA 的结构分析与改造实现其调控功能的拆分和优化，使其成为一个具备工程意义的生物元件？姜卫红研究组的博士生吴艳和顾阳研究员对此展开了有意义的探索。首先，对前期发掘和鉴定的产溶剂梭菌CcpA 蛋白进行了结构模拟、功能域分析，然后通过有理和无理突变技术对之改造和筛选，从中发现其第302 位的缬氨酸与CCR 效应密切相关。当该缬氨酸被天冬酰胺替换后，菌株在葡萄糖-木糖混合碳源发酵过程中的CCR 效应被显著削弱，木糖利用能力提高，但并未影响菌体的其他生理过程。随后的比较转录谱分析和凝胶阻滞等实验，在分子水平揭示了上述氨基酸残基突变对CcpA 结构及调控下游重要代谢途径的影响机制。为进一步强化该突变元件的性能，课题组又继续过量表达了3 个受CcpA 调控的关键基因ctfA, ctfB 和 adhE1，所获工程菌株在混合碳源发酵时的木糖利用率得到进一步改善。上述研究工作通过对梭菌多效调控蛋白CcpA 的分子改造实现了功能优化，也提示该调控蛋白可被设计和改造成为合成生物学及代谢工程研究中的重要元件。

该研究得到了国家自然科学基金、科技部973项目的资助。（植生生态所）

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