Comparison of expression of key sporulation, solventogenic and acetogenic genes in C. beijerinckii NRRL B-598 and its mutant strain overexpressing spo0A
- 作者
- J. Kolek, M. Diallo, M. Vasylkivska, B. Branska, K. Sedlar, A. M. López-Contreras, P. Patakova
- 单位
- Department of Biotechnology, University of Chemistry and Technology Prague; Wageningen Food and Biobased Research, Wageningen University and Research; Department of Biomedical Engineering, Brno University of Technology
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1007/s00253-017-8555-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明C. beijerinckii NRRL B-598中孢子形成与溶剂生成之间的调控关系，比较野生型与spo0A过表达突变株在产溶剂、产酸及关键基因表达上的差异。
研究策略
构建spo0A过表达突变株OESpo0A，在TYA（产孢子）和RCM（不产孢子）两种培养基中培养野生型、对照菌株和突变株，结合发酵参数、形态观察及RT-qPCR分析孢子形成、溶剂生成和酸生成相关基因的表达。
核心内容
该研究构建了spo0A过表达突变株OESpo0A，在产孢子的TYA和不产孢子的RCM两种培养基中，比较了拜氏梭菌NRRL B-598野生型与突变株的发酵表现及关键基因转录水平。结果显示，spo0A过表达并未促进孢子形成，反而抑制了spoIIE、sigG、spoVD等下游孢子形成基因，突变株完全不产孢子。在发酵性能上，野生型在TYA和RCM中24小时丁醇产量分别达9.8 g/L和9.1 g/L，而突变株丁醇产量显著下降，在RCM中丁醇生产力仅0.01 g/L·h，远低于野生型的0.22 g/L·h，葡萄糖消耗速率也从1.50 g/L·h降至0.42 g/L·h，同时丁酸和乙醇产量增加。基因表达分析发现，spo0A在非产孢的RCM培养中高表达，且过表达导致buk1和ald上调。该研究表明，在NRRL B-598中孢子形成与溶剂生成可独立调控，Spo0A对ald等溶剂生成基因可能有正调控作用，但高表达spo0A并未提升丁醇产量，揭示了梭菌中相关调控机制的菌株特异性。
创新点
首次在C. beijerinckii NRRL B-598中研究spo0A过表达的影响，发现其过表达抑制孢子形成而非促进，且孢子形成与溶剂生成在该菌中可独立调控。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium beijerinckii NRRL B-598 | 孢子形成调控 | spo0A | Spo0A | 调控 | 主调控因子，过表达菌株OESpo0A表现为不产孢子 |
| Clostridium beijerinckii NRRL B-598 | 孢子形成调控 | spoIIE | SpoIIE | 调控 | 参与σF激活，在OESpo0A中显著下调 |
| Clostridium beijerinckii NRRL B-598 | 孢子形成调控 | sigG | SigG | 调控 | 孢子形成阶段III特异σ因子，在非孢子形成条件下下调 |
| Clostridium beijerinckii NRRL B-598 | 孢子形成调控 | spoVD | SpoVD | 催化 | 参与孢子皮层合成，在OESpo0A中表达降低 |
| Clostridium beijerinckii NRRL B-598 | 溶剂生成（ABE发酵） | ald | 乙醛脱氢酶 | 催化 | 参与丁醇合成最后步骤，spo0A过表达时上调 |
| Clostridium beijerinckii NRRL B-598 | 酸生成（丁酸代谢） | buk1 | 丁酸激酶 | 催化 | 催化丁酸生成，spo0A过表达时上调 |
关键发现
- 野生型在TYA和RCM培养基中丁醇产量分别为9.8 g/L和9.1 g/L（24小时）
- OESpo0A突变株不产生孢子，丁醇产量低于野生型，但丁酸和乙醇产量增加，在RCM中丁醇生产力仅0.01 g/L h（野生型为0.22 g/L h），葡萄糖消耗速率0.42 g/L h（野生型为1.50 g/L h）
- spo0A在非孢子形成的RCM培养中高表达，而spoIIE、sigG、spoVD显著下调
- spo0A过表达导致buk1和ald表达上调
- spo0A基因与C. beijerinckii NCIMB 8052同源性100%，与C. acetobutylicum ATCC 824为75%
- spoIIE、sigG、spoVD、ald、buk1与NCIMB 8052的同源性分别为99%、100%、98%、98%、99%。
研究结论
在C. beijerinckii NRRL B-598中，spo0A过表达并不促进孢子形成，反而抑制下游孢子形成基因，表明孢子形成与溶剂生成的调控在不同梭菌中存在差异；Spo0A可能正调控ald等溶剂生成基因，但高表达spo0A并未提高丁醇产量，说明其调控机制复杂且与菌株特异性有关。