The change of the state of cell membrane can enhance the synthesis of menaquinone in Escherichia coli
- 作者
- Yan Liu, Xiu-min Ding, Zheng-lian Xue, Liu-xiu Hu, Ning-juan Zhang, Zhou Wang, Jian-wei Yang, Qian Cheng, Ming-hong Chen, Zhuang-zhuang Zhang, Zhi-ming Zheng
- 单位
- College of Biochemical Engineering, Anhui Polytechnic University; Key Laboratory of Ion Beam Bioengineering, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Science; VCU Massey Cancer Center, VCU Institute of Molecular Genetics, Virginia Commonwealth University School of Medicine
- 杂志
- World Journal of Microbiology and Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1007/s11274-017-2222-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探究细胞膜状态与大肠杆菌中甲萘醌合成之间的关系，以揭示添加雪松木油和聚氧乙烯油醚促进甲萘醌合成的机制
研究策略
比较雪松木油和聚氧乙烯油醚对细胞形态、膜完整性、膜流动性、膜脂组成的影响，并通过异源表达FatB和FatA硫酯酶改变膜脂肪酸组成来验证膜状态对甲萘醌合成的调控作用
核心内容
本研究通过比较添加雪松木油和聚氧乙烯油醚对大肠杆菌细胞膜状态的影响，系统探究了膜状态与甲萘醌合成之间的关系。实验测定了细胞形态、膜完整性、膜流动性及膜脂组成等参数，发现聚氧乙烯油醚使总脂肪酸含量降低40.7%至11.2 μg/mg干重，饱和/不饱和脂肪酸比从1.58降至1.31，膜泄漏率从7.14%增至64.31%，显著促进甲萘醌胞外分泌；而雪松木油则提高饱和/不饱和脂肪酸比至1.78，并降低荧光偏振值，表明膜流动性增强可促进胞内合成。为进一步验证机制，研究异源表达FatB和FatA硫酯酶以改造膜脂肪酸组成，结果显示表达FatB的工程菌胞外甲萘醌产量达10.71 mg/L，而对照组和FatA组均未检测到胞外产物。上述结果表明，降低总脂肪酸含量并增加不饱和脂肪酸比例可促进甲萘醌外排，而提高饱和脂肪酸比例则轻微促进胞内积累。该工作首次定量评估了两种添加剂对大肠杆菌膜的损伤效应，并阐明了膜泄漏与膜流动性对甲萘醌合成的差异化调控机制，为通过膜工程策略增强膜结合型代谢产物合成提供了新思路。
创新点
首次定量评估雪松木油和聚氧乙烯油醚对大肠杆菌细胞膜的损伤效应，阐明膜泄漏促进甲萘醌胞外分泌、膜流动性促进胞内合成的机制，并通过膜工程策略提高甲萘醌产量
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli FM3-1709 | 甲萘醌生物合成 | — | DAHP synthase | 调控 | 莽草酸途径的第一个调控酶，受分支酸和MK-4反馈抑制，限制甲萘醌合成 |
| Escherichia coli DH5α | 脂肪酸合成 | FatB | FatB型酰基-ACP硫酯酶 | 催化 | 来自加州月桂（Umbellularia californica），异源表达增加不饱和脂肪酸比例，促进甲萘醌胞外分泌 |
| Escherichia coli DH5α | 脂肪酸合成 | FatA | FatA型硫酯酶 | 催化 | 来自向日葵（Helianthus annuus L.），异源表达增加饱和脂肪酸比例，略微促进胞内甲萘醌合成 |
| Escherichia coli FM3-1709 | 细胞膜脂质代谢 | — | — | 区室化 | 细胞膜作为区室化结构，其完整性、流动性和脂质组成变化是甲萘醌合成与分泌的关键 |
关键发现
- 添加聚氧乙烯油醚后，总脂肪酸含量降低40.7%（11.2±0.7 μg/mg干重），饱和/不饱和脂肪酸比从1.58±0.05降至1.31±0.04，膜泄漏从7.14%增至64.31%
- 添加雪松木油后，饱和/不饱和脂肪酸比从1.58±0.05升至1.78±0.04，平均脂质长度从16.05±0.08降至15.99±0.10，荧光偏振显著降低表明膜流动性增加
- 工程菌E. coli DH5α FatB的胞外甲萘醌达到10.71±0.19 mg/L，而对照组和FatA组未检出胞外甲萘醌
研究结论
细胞膜的状态直接影响甲萘醌的合成和分泌：降低总脂肪酸含量并增加不饱和脂肪酸比例可促进甲萘醌的胞外分泌，而提高饱和/不饱和比例可轻微促进胞内合成。该研究为增强膜结合型胞内代谢产物的产量提供了新思路。