天津工生所在谷氨酸棒桿菌抵禦鹽鹼脅迫的生理機制方面取得新進展

谷氨酸棒桿菌是一種重要的傳統工業微生物， 已被代謝改造為微生物細胞工廠， 廣泛用於發酵生產各種氨基酸、核苷酸和有機酸等， 具有重要的經濟價值。 雖然谷氨酸棒桿菌具有一定程度的耐鹽鹼生理學特性， 但是發酵過程中的高鹽或由高鹽引起的高滲透壓等脅迫環境， 仍然嚴重影響菌株生長及代謝活性， 從而降低工業菌株的生物製造效率。 因此， 探究和解析谷氨酸棒桿菌在高鹽鹼等脅迫條件下的生理適應機制， 對於尋求微生物生理功能最優化和目標產物積累最大化的工業發酵生產具有重要意義。

中國科學院天津工業生物技術研究所劉君研究員帶領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+逆向轉運蛋白（Mrp1-2、NhaP和ChaA）， 並系統闡述了谷氨酸棒桿菌在鹽鹼脅迫等壓力條件下的生理適應策略。 研究發現， 谷氨酸棒桿菌Mrp1蛋白具有最顯著的Na+/H+離子轉運活性， 該蛋白主要在鹼性條件下發揮作用。 體內實驗進一步證實， Mrp1逆向轉運蛋白主要參與菌株在高NaCl和鹼性脅迫條件下的耐受性應答， Mrp2逆向轉運蛋白主要參與菌株在高KCl脅迫條件下的耐受性應答， 這兩種蛋白同時缺失則會嚴重影響菌株在高鹽鹼條件下的正常存活能力。 此外， 谷氨酸棒桿菌Mrp型Na+/H+轉運蛋白的缺失也嚴重影響菌株胞內Na+離子和pH穩態，

mrp1和mrp2基因的同時缺失會使菌株胞內積累更多的毒性Na+離子， 從而使胞內環境的鹼性增加。 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， 對於Mrp1蛋白活性功能的正常發揮具有重要作用， 其中Mrp1A-K299位點可能是其發揮作用的關鍵殘基之一。 通過同源建模分析， 發現谷氨酸棒桿菌Mrp1蛋白中的Mrp1A和Mrp1D亞基分別含有一個潛在的離子轉運通道， K299位點可能是通過改變離子通道的結構或靈活度來影響離子轉運活性。 本研究成果有助於更好地理解Na+/H+逆向轉運蛋白在谷氨酸棒桿菌抵禦鹽鹼脅迫中的分子機理， 也為提高谷氨酸棒桿菌的生理性能及其工業應用提供新思路。

該研究獲得國家自然科學基金、天津市自然科學基金和中科院百人計畫項目的支持， 相關研究結果已分別發表於FEMS Microbiology Letters和Applied and Environmental Microbiology雜誌。 天津工業生物所助理研究員徐甯為論文的第一作者。

Na+/H+轉運蛋白介導的谷氨酸棒桿菌高鹽鹼脅迫抵禦策略示意圖