Proteomic analysis of an engineered isolate of Lactobacillus plantarum with enhanced raffinose metabolic capacity
- 作者
- Jicheng Wang, Wenyan Hui, Chenxia Cao, Rulin Jin, Caixia Ren, Heping Zhang, Wenyi Zhang
- 杂志
- Scientific Reports（2016）
- DOI
- 10.1038/srep31403
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
改善大豆制品营养价值，理解增强棉子糖代谢能力的工程菌株的分解代谢机制
研究策略
采用比较蛋白质组学（iTRAQ标记）对比工程化Lactobacillus plantarum P-8菌株与其亲本菌株在半限定培养基添加棉子糖条件下的蛋白质表达谱
核心内容
该研究对一株经代谢工程改造、棉子糖代谢能力增强的植物乳杆菌P-8工程菌株进行了iTRAQ标记的比较蛋白质组学分析，以阐明其在半限定培养基中添加棉子糖条件下的分解代谢机制。结果显示，工程菌株在棉子糖培养基上生长更快，最终活菌数超过9.24×10⁷ cfu/mL。共鉴定出125个显著上调（>1.5倍）和106个显著下调（<-1.5倍）的蛋白质。上调蛋白主要包括山梨醇PTS系统组分（EIIA上调5.8倍、EIIBC上调5.72倍）及山梨醇-6-磷酸2-脱氢酶（上调10.6倍），而下调蛋白中包括α-半乳糖苷酶（下调1.57倍）和β-半乳糖苷酶（下调19.36倍）。此外，细胞内天冬氨酸和谷氨酰胺浓度分别由0.151 mg/L升至0.422 mg/L、由1.061 mg/L升至1.585 mg/L，伴随环丙烷脂肪酸合成酶（1.64倍）、丙氨酸消旋酶（2.73倍）等蛋白上调。这些结果表明工程菌株在生长后期转向利用山梨醇作为替代碳源，并通过膜脂修饰和氨基酸代谢调整来抵御酸胁迫，为该菌株在豆奶发酵生产中的应用提供了分子层面的理论基础。
创新点
首次对增强棉子糖代谢能力的L. plantarum P-8工程菌株进行蛋白质组学分析，揭示生长后期从棉子糖转向山梨醇利用、通过膜脂修饰和氨基酸代谢应对酸胁迫的机制
研究对象（20）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Lactobacillus plantarum P-8 | 棉子糖代谢 | LBP_cg2832 | Alpha-galactosidase | 催化 | 下调表达，参与棉子糖α-1,6-半乳糖苷键水解 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 棉子糖代谢 | LBP_p2g004 | Beta-galactosidase | 催化 | 下调表达，与棉子糖分解相关 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 棉子糖代谢 | LBP_cg2877 | Galactitol PTS EIIB | 转运 | 下调表达，可能参与半乳糖醇转运 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 山梨醇代谢 | LBP_cg2912 | Sorbitol PTS EIIA | 转运 | 上调5.8倍，参与山梨醇磷酸转移酶系统 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 山梨醇代谢 | LBP_cg2913 | Sorbitol PTS EIIBC | 转运 | 上调5.72倍 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 山梨醇代谢 | LBP_cg2914 | Sorbitol PTS EIIC | 转运 | 上调3.81倍 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 山梨醇代谢 | LBP_cg2917 | Sorbitol-6-phosphate 2-dehydrogenase | 催化 | 上调10.6倍，催化山梨醇-6-磷酸转化为果糖-6-磷酸 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 山梨醇代谢 | LBP_cg2916 | Sorbitol operon transcription regulator | 调控 | 上调1.78倍，调控山梨醇操纵子 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 细胞壁/膜代谢 | LBP_cg0413 | Alanine racemase | 催化 | 上调2.73倍，参与细胞壁肽聚糖合成 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 细胞壁/膜代谢 | LBP_cg1580 | D-alanine-poly(phosphoribitol) ligase subunit | 催化 | 上调2.09倍，参与脂磷壁酸合成 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 细胞壁/膜代谢 | LBP_cg1859 | Glutamate racemase | 催化 | 上调1.9倍，参与细胞壁谷氨酸合成 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 脂肪酸代谢 | LBP_cg2578 | Cyclopropane-fatty-acyl-phospholipid synthase | 催化 | 上调1.64倍，改变膜脂肪酸组成以应对酸胁迫 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 应激响应 | LBP_cg0109 | Small heat shock protein | 调控 | 上调3倍，响应酸胁迫 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 应激响应 | LBP_cg1586 | Chaperone protein DnaK | 调控 | 上调2.11倍，分子伴侣 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 应激响应 | LBP_cg2905 | ATP-dependent Clp protease ATP-binding subunit ClpL | 催化 | 上调1.85倍，蛋白酶 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 应激响应 | LBP_cg0785 | Cold shock protein CspC | 调控 | 上调1.72倍，应激蛋白 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 天冬氨酸代谢 | LBP_p3g040 | Aspartate aminotransferase | 催化 | 下调18.9倍，参与天冬氨酸转化 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 天冬氨酸代谢 | LBP_p3g041 | AAE family aspartate:alanine exchanger | 转运 | 下调12.55倍，天冬氨酸/丙氨酸交换 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 氨基酸转运 | LBP_cg0601 | Glutamine ABC transporter substrate binding and permease protein | 转运 | 下调2.32倍 |
| Lactobacillus plantarum P-8 | 磷酸戊糖途径 | LBP_cg2869 | Putative transaldolase | 催化 | 下调2.8倍 |
关键发现
- 工程菌株在棉子糖培养基上生长更快，最终活菌数达9.24×10^7 cfu/mL以上。共125个蛋白质显著上调（>1.5倍），106个蛋白质显著下调（<-1.5倍）。上调蛋白中包括山梨醇PTS系统（EIIA
- 8倍、EIIBC
- 72倍、EIIC
- 81倍）和山梨醇-6-磷酸2-脱氢酶（10.6倍）；下调蛋白中包括alpha-半乳糖苷酶（fold change -1.57）和beta-半乳糖苷酶（fold change -19.36）。细胞内天冬氨酸由0.151 mg/L升至0.422 mg/L，谷氨酰胺由1.061 mg/L升至1.585 mg/L。工程菌株通过环丙烷脂肪酸合成酶（1.64倍）、丙氨酸消旋酶（2.73倍）、谷氨酸消旋酶（1.9倍）等蛋白上调改变细胞膜和细胞壁结构以抵御酸胁迫。
研究结论
工程菌株通过利用替代碳源（山梨醇）和调控膜脂/氨基酸代谢来适应快速生长和酸性环境，该研究为工程菌株在豆奶生产中的应用奠定基础