Evaluation of colors in green mutants isolated from purple bacteria as a host for colorimetric whole-cell biosensors
- 作者
- Kazuyuki Yoshida, Daiki Yoshioka, Koichi Inoue, Shinichi Takaichi, Isamu Maeda
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2007）
- DOI
- 10.1007/s00253-007-1079-5
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
现有的基于类胡萝卜素的比色全细胞生物传感器以黄色菌株为宿主，颜色从黄色变为红色时信号区分度不足，且CrtA介导的酮化反应对溶解氧敏感，限制了应用。
研究策略
构建和分离三种紫色细菌的绿色突变体（Rps. palustris no.711、Rdv. sulfidophilum M31、Rba. sphaeroides Ga），利用HPLC分析色素组成，通过吸收光谱分析光合膜特征，并用CIE L*a*b*色彩空间量化颜色差异，与黄色突变体CDM2比较。
核心内容
针对现有比色全细胞生物传感器以黄色菌株为宿主、颜色变化区分度不足且依赖溶解氧的问题，该研究构建了三种紫色细菌的绿色突变体作为替代宿主：通过基因缺失或化学诱变，分别获得Rps. palustris no.711（缺失crtI，积累八氢番茄红素）、Rba. sphaeroides Ga（积累neurosporene）和Rdv. sulfidophilum M31（积累neurosporene）。利用HPLC分析色素组成，并首次引入CIE L*a*b*色彩空间量化菌体颜色差异。结果显示，三种绿色突变体与野生型的色差ΔE*ab分别为25.52、25.13和17.46，均显著高于黄色突变体CDM2的11.57，表明绿色背景能提供更大的颜色对比度，有望提高传感器信噪比。所有绿色突变体均含细菌叶绿素a，且在510–570 nm光合膜吸收显著下降。更重要的是，这些突变体可在有氧条件下生长，可能解除传感器对溶解氧的限制，为以crtI为报告基因的绿色背景比色生物传感器提供了可行宿主基础。
创新点
首次将CIE L*a*b*色彩空间用于评价不同类胡萝卜素组成和细菌叶绿素a背景下细菌的体外颜色；构建了首个Rps. palustris的crtI缺失突变体；证明绿色突变体相比黄色突变体能提供更大的颜色对比度，且可在有氧条件下生长，有望降低对溶解氧的依赖。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodopseudomonas palustris no.711 | 类胡萝卜素生物合成通路（spheroidene途径） | crtI | 八氢番茄红素脱饱和酶 (CrtI) | 催化 | crtI基因被卡那霉素抗性盒替换，导致积累无色八氢番茄红素，菌体呈蓝绿色 |
| Rhodovulum sulfidophilum M31 | 类胡萝卜素生物合成通路（spheroidene途径） | crtC（推测突变） | 1,2-水合酶 (CrtC) | 催化 | EMS诱变获得，积累neurosporene，菌体呈绿色 |
| Rhodobacter sphaeroides Ga | 类胡萝卜素生物合成通路（spheroidene途径） | crtD（推测突变） | 3,4-脱饱和酶 (CrtD) | 催化 | 积累neurosporene和chloroxanthin，菌体呈黄绿色 |
| Rhodovulum sulfidophilum CDM2 | 类胡萝卜素生物合成通路（spheroidene途径） | crtA | 螺菌黄质单加氧酶 (CrtA) | 催化 | crtA基因缺失，积累黄色类胡萝卜素，作为已有黄色比色生物传感器的宿主，用于颜色比较 |
关键发现
- 构建了Rps. palustris no.711（crtI缺失），其积累无色八氢番茄红素，呈蓝绿色，与野生型色差ΔE*ab=25.52
- Rba. sphaeroides Ga（积累neurosporene和chloroxanthin）与野生型色差ΔE*ab=25.13
- Rdv. sulfidophilum M31（积累neurosporene）与野生型色差ΔE*ab=17.46
- 黄色突变体Rdv. sulfidophilum CDM2（crtA缺失）与野生型色差ΔE*ab=11.57。绿色突变体的色差均高于黄色突变体。所有绿色突变体都含有细菌叶绿素a，光合膜在510-570 nm波长范围吸收显著下降。
研究结论
绿色突变体作为全细胞生物传感器的宿主，能实现从绿色到红色的更明显颜色变化信号，提高信噪比；这些突变体可在有氧条件下生长，可能使传感器不受溶解氧浓度限制。引入crtI作为报告基因的绿色背景传感器有望构建成功。