炎熱的天氣里，一杯香甜的果汁很快就會(huì )變質(zhì)，有時(shí)還會(huì )產(chǎn)生酒精味。這很可能是一種擅長(cháng)將葡萄糖和果糖轉化為乙醇的“釀酒”細菌——運動(dòng)發(fā)酵單胞菌在“作祟”。
不過(guò)，這種能天然產(chǎn)生乙醇的“罪魁禍首”卻是科學(xué)家眼中的潛力股——有資質(zhì)成為像酵母、大腸桿菌那樣的底盤(pán)細胞，為人類(lèi)制造大宗化學(xué)品。
農業(yè)農村部成都沼氣科學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)沼科所）研究員何明雄團隊分析了運動(dòng)發(fā)酵單胞菌適應環(huán)境脅迫的染色體三維構象，揭示了原核生物中廣泛存在的轉錄因子介導染色體三維構象及其調節抗逆基因表達以應對環(huán)境脅迫的分子機制。近日，研究論文在線(xiàn)發(fā)表于《核酸研究》。
論文審稿人認為，這是一項非常有趣的發(fā)現——化學(xué)分子和轉錄因子對細菌染色體的三維構象產(chǎn)生影響從而促進(jìn)或抑制基因轉錄。這項研究不僅為認識原核生物基因組結構與功能的關(guān)系提供了新的科學(xué)依據，也為從三維基因組層面進(jìn)行工程菌株的理性設計奠定了基礎。
細胞工廠(chǎng)“潛力股”：天然產(chǎn)乙醇的細菌
作為一種能把葡萄糖和果糖變成乙醇的細菌，運動(dòng)發(fā)酵單胞菌具有一種特殊的生理生化特性。論文通訊作者何明雄介紹，它之所以能產(chǎn)生乙醇，全靠其代謝途徑中的特定酶系統。這些酶系統讓它將碳源（如葡萄糖）先轉化為丙酮酸，并繼續轉化為乙醇和二氧化碳。
如果能把農林廢棄物——例如秸稈等生物質(zhì)轉化成葡萄糖或者果糖，再用這種細菌進(jìn)行處理，豈不是可以“便利”地獲得工業(yè)用乙醇？
而且，有研究發(fā)現，運動(dòng)發(fā)酵單胞菌在食品、健康及醫藥等領(lǐng)域也展示出廣闊的應用前景。
然而，秸稈等生物質(zhì)資源結構致密、難降解，難以利用。在轉化過(guò)程中，需要預處理以釋放其中的葡萄糖等營(yíng)養物質(zhì)。但預處理產(chǎn)生的水解液存在許多微生物發(fā)酵的抑制劑，如乙酸、呋喃甲醛、酚類(lèi)和鹽類(lèi)化合物等。其中，乙酸和呋喃甲醛是主要的兩類(lèi)有毒副產(chǎn)物。
“這些抑制劑會(huì )導致微生物發(fā)酵的轉化效率大幅下降�！焙蚊餍壅f(shuō)，如果能篩選出對抑制劑有抗性的菌株，就有望找到相關(guān)的抗性基因。
于是，7年前，何明雄團隊碩士生王薇廷著(zhù)手做菌株突變篩選，目標是篩選出能夠耐受這些抑制劑的抗逆菌株，即能在脅迫環(huán)境下，高效利用糖類(lèi)產(chǎn)生目標產(chǎn)物而抵御這些抑制劑干擾的菌株。
通過(guò)基因組重組等技術(shù)，王薇廷終于選育出具有抗逆特性的運動(dòng)發(fā)酵單胞菌菌株ZM532，大幅提升了其生物轉化效率。
獲得耐受菌株后，研究團隊想進(jìn)一步了解這些菌株為何產(chǎn)生抗逆性狀。他們利用了基因組重測序、轉錄組學(xué)、蛋白組學(xué)等常用的分析方法，但分析結果卻出乎意料——盡管其中的一些基因與抗逆表型相關(guān)，但仍然不能完全解釋抗逆表型發(fā)生顯著(zhù)改變的機制。
傳統手段“失靈”踏上基因組三維結構探秘之旅
“我們團隊前期使用了基因組重測序技術(shù)和轉錄組學(xué)分析去揭示抗逆機制�！闭撐牡谝蛔髡�、沼科所博士陳茂說(shuō)，結果發(fā)現，運動(dòng)發(fā)酵單胞菌抗逆菌株的基因組上發(fā)生了單核苷酸突變（SNP）以及片段插入和缺失等突變。
他們又嘗試從與基因組突變關(guān)聯(lián)的基因中尋找抗逆表型產(chǎn)生的原因，但這些與突變關(guān)聯(lián)的基因多與抗逆無(wú)關(guān)。
2019年，博士生Samina Shabbir開(kāi)始做轉錄組和蛋白組分析，試圖挖掘關(guān)鍵調控因子，在轉錄水平上解釋抗逆機制，然而結果亦無(wú)法解釋表型發(fā)生巨大改變的原因。
“這些結果顯示，在運動(dòng)發(fā)酵單胞菌中，基因組突變與抗逆表型之間存在不匹配的現象�！焙蚊餍壅f(shuō)，在細菌中，基因組變異是其適應脅迫環(huán)境的常見(jiàn)現象�！叭藗兂３ＵJ為這些突變會(huì )導致細菌抗逆表型改變，但有時(shí)在一維層面，也就是基因水平上，可能無(wú)法解釋這種表型為何發(fā)生轉變�！�
盡管人們已經(jīng)知道在真核生物中，基因組突變可能會(huì )改變染色體三維結構，導致癌癥等疾病的發(fā)生，但人們對原核生物中基因組突變與染色體構象之間的關(guān)系仍然知之甚少。
染色體構象是染色體在三維空間上的組織和排列方式，包括染色體的折疊、染色體區域之間的相互作用等。這些高階結構對基因的表達和調控有重要影響。
受真核生物三維基因組學(xué)相關(guān)研究的啟發(fā)，何明雄團隊提出假設：會(huì )不會(huì )是基因組突變導致了染色體三維結構的改變，從而導致抗逆表型的發(fā)生，因此傳統方法如基因組學(xué)、轉錄組學(xué)、蛋白組學(xué)等一維二維的技術(shù)難以發(fā)現抗逆表型背后的機制。
2020年，正在攻讀博士學(xué)位的陳茂踏上了三維基因組結構探索之旅，嘗試驗證關(guān)鍵調控因子功能，解析三維基因組動(dòng)態(tài)變化，揭示抗逆調控的分子機制。
加快“細胞工廠(chǎng)”選育進(jìn)程
基因組突變和環(huán)境脅迫（如乙酸和呋喃甲醛）究竟是如何對運動(dòng)發(fā)酵單胞菌三維染色體構象產(chǎn)生影響的？
論文共同第一作者、沼科所副研究員吳波介紹，在三維基因組研究中，通常把DNA一維水平上相距幾百kb的位點(diǎn)之間的互作稱(chēng)為長(cháng)距互作，而把相距幾十kb甚至更小距離的互作稱(chēng)為短距互作。
“我們的研究發(fā)現，基因組突變僅改變了局部的短距互作；當乙酸和呋喃甲醛脅迫后，不僅改變了長(cháng)距互作，也改變了短距互作。這些短距互作構成了染色體結構域，這是染色體三維構象的基本結構單元�！眳遣ㄕf(shuō)。
他們進(jìn)一步解析了結構域邊界特征，并發(fā)現了一類(lèi)重要的轉錄因子，即鐵吸收調節蛋白（Fur）家族。在運動(dòng)發(fā)酵單胞菌中，調節蛋白家族中還包括鋅吸收調節蛋白（Zur）�！叭绻贸@兩個(gè)相關(guān)基因，會(huì )嚴重影響該菌的抗逆乙酸和呋喃甲醛表型�！标惷f(shuō)。
何明雄解釋說(shuō)，細菌的轉錄因子對于細菌適應逆境至關(guān)重要，因為這些蛋白可以調控一系列基因表達，從而影響細菌的生理代謝過(guò)程。以往研究主要關(guān)注轉錄因子最主要的功能——調節基因表達，是從一維水平上闡述這些調節的重要性。但轉錄因子結合在染色體上調節基因表達的同時(shí)，有可能對三維構象產(chǎn)生影響。
“我們的研究不僅表明轉錄因子有調節基因表達適應環(huán)境的能力，而且維持了染色體三維構象的穩定性�！焙蚊餍壅f(shuō)，這是首次在細菌中證實(shí)全局性轉錄因子具有調控染色體三維構象的能力。
該研究從全新角度闡釋了“結構決定功能”這一核心分子生物學(xué)問(wèn)題，揭示了抗逆表型形成的分子機制，為認識原核生物基因組結構與功能的關(guān)系提供了新的科學(xué)依據。
何明雄強調，抗逆分子機制的解析有利于對菌株直接進(jìn)行理性設計。所謂理性設計是基于對微生物學(xué)、代謝途徑和基因組學(xué)等的深入理解，通過(guò)精確設計和調控微生物的基因組、代謝途徑或生理特性來(lái)實(shí)現特定的育種目標。從染色體結構角度關(guān)注染色體相互作用對理性設計的影響，可以提高表型進(jìn)化的效率。
“我們的研究尚處于初級階段，未來(lái)我們將積極探索三維基因組在合成生物學(xué)中的應用�！焙蚊餍壅f(shuō)，搞清楚運動(dòng)發(fā)酵單胞菌的抗逆機制，就有望高效利用秸稈等農林廢棄物，甚至開(kāi)發(fā)出新的“細胞工廠(chǎng)”。
來(lái)源：中國科學(xué)報
提醒：本文章所有內容均來(lái)源網(wǎng)絡(luò )，僅用于學(xué)習交流，若有侵權內容，請及時(shí)聯(lián)系刪除或修改，特此聲明！
上一篇：中新健康｜何種飲食方式更健康？國際最新研究稱(chēng)腸道菌群“有話(huà)說(shuō)”
下一篇：微生物強化技術(shù)助力華北鹽堿地小麥適生增產(chǎn)
海博微信公眾號
海博天貓旗艦店
