Improvement of Multiple-Stress Tolerance and Lactic Acid Production in Lactococcus lactis NZ9000 under Conditions of Thermal Stress by Heterologous Expression of Escherichia coli dnaK^V
- 作者
- Abdullah- Al- Mahin, Shinya Sugimoto, Chihana Higashi, Shunsuke Matsumoto, Kenji Sonomoto
- 单位
- Laboratory of Microbial Technology, Division of Microbial Science and Technology, Department of Bioscience and Biotechnology, Faculty of Agriculture, Graduate School, Kyushu University; Laboratory of Functional Food Design, Department of Functional Metabolic Design, Bio- Architecture Center, Kyushu University; Department of Molecular Cell Biology, Institute of Molecular Embryology and Genetics, Kumamoto University; Division of Structural Biology, Medical Institute of Bioregulation, Kyushu University
- 杂志
- Applied and Environmental Microbiology（2010）
- DOI
- 10.1128/AEM.02878-09
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
乳酸乳球菌在热胁迫下生长和乳酸发酵效率低下，需要提高其对温度、盐、酸、乙醇等多重胁迫的耐受性。
研究策略
利用nisin诱导表达系统在Lactococcus lactis NZ9000中异源表达Escherichia coli dnaK基因，通过分子伴侣DnaK_Eco改善蛋白质质量控制，从而提升胁迫耐受性和乳酸发酵效率。
核心内容
该研究在乳酸乳球菌NZ9000中异源表达大肠杆菌分子伴侣基因dnaK，旨在提升菌株在热胁迫下的生长与乳酸发酵性能。通过nisin诱导系统构建表达DnaK_Eco的重组菌株，并与表达同源DnaK_Lla及空载体的菌株进行比较。结果显示，在40°C热胁迫下，表达DnaK_Eco的菌株6小时活菌数较初始增加13.5倍，而对照菌株降低4.6倍；有诱导剂时其最大OD600是对照的6.24倍。在3% NaCl、5%乙醇和0.5%乳酸胁迫下，该菌株世代时间分别缩短2.11、1.29和2.60倍，最大OD600分别提高1.28、1.13和1.44倍。40°C发酵时，重组菌株最大乳酸产量达1.20 g/L，为对照的12.0倍，乳酸得率提高4.76倍，最大生产率提高11.8倍。30°C下产量差异较小（2.19 vs 1.91 g/L），表明DnaK_Eco的增益主要在高温条件。此外，热胁迫下重组菌株的乳酸脱氢酶活性仅略降，而对照降低约2.5倍。研究表明，异源DnaK可有效增强蛋白质质量控制，同时提升乳酸乳球菌的多重胁迫耐受性和高温发酵效率，为工业抗逆菌株开发提供了可行策略。
创新点
首次报道异源表达大肠杆菌DnaK可同时增强乳酸乳球菌的多重胁迫耐受性和乳酸发酵性能；发现极低浓度的DnaK_Eco即可显著改善热胁迫下的细胞存活，并优于同源DnaK_Lla。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Lactococcus lactis NZ9000 | 乳酸发酵 | dnaK (Escherichia coli) | DnaK_Eco | 调控 | 异源表达的分子伴侣，低浓度即可显著提高热胁迫及多重胁迫耐受性 |
| Lactococcus lactis NZ9000 | 乳酸发酵 | dnaK (Lactococcus lactis) | DnaK_Lla | 调控 | 同源表达，对热耐受的提升作用弱于DnaK_Eco |
| Lactococcus lactis NZ9000 | 乳酸发酵 | ldh | 乳酸脱氢酶(LDH) | 催化 | 在DnaK_Eco存在下于40°C活性更稳定 |
| Escherichia coli JM109 | — | dnaK | DnaK_Eco | 调控 | dnaK基因供体菌 |
关键发现
- 在40°C热胁迫下，NZ-EDnaK菌株6h活菌数较0h增加13.5倍，而NZ-Vector降低4.6倍；有nisin时40°C下NZ-EDnaK最大OD600为NZ-Vector的6.24倍；在3% NaCl、5%乙醇、0.5%乳酸胁迫下，NZ-EDnaK的世代时间分别缩短2.11、1.29、2.60倍，最大OD600分别提高1.28、1.13、1.44倍；40°C发酵时，NZ-EDnaK与NZ-Vector相比，最大乳酸产量提高12.0倍（1.20 vs
- 100 g/L），乳酸得率提高4.76倍（0.829 vs
- 174 g/g），最大乳酸生产率提高11.8倍（0.108 vs
- 0100 g/L/h），比乳酸生产率提高1.84倍（1.16 vs
- 628 g/g/h）；30°C时NZ-EDnaK的最大乳酸产量为2.19 g/L，NZ-Vector为1.91 g/L；40°C时NZ-Vector的LDH活性较30°C降低约2.5倍，而NZ-EDnaK仅略降；热胁迫后DnaK_Lla水平在NZ-Vector和NZ-EDnaK中分别增加3.5倍和3.6倍。
研究结论
异源表达dnaK_Eco通过增强蛋白质质量控制，显著改善了乳酸乳球菌在高温下的生长和乳酸发酵效率，并赋予多种胁迫耐受性，为构建抗逆发酵菌株提供了策略。