Investigation of the impact of a broad range of temperatures on the physiological and transcriptional profiles of Zymomonas mobilis ZM4 for high-temperature-tolerant recombinant strain development
- 作者
- Runxia Li, Wei Shen, Yongfu Yang, Jun Du, Mian Li, Shihui Yang
- 单位
- State Key Laboratory of Biocatalysis and Enzyme Engineering, Environmental Microbial Technology Center of Hubei Province, and School of Life Sciences, Hubei University; Department of Biological and Chemical Engineering, Zhixing College of Hubei University; China Biotech Fermentation Industry Association; Zhejiang Huakang Pharmaceutical Co., Ltd.
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2021）
- DOI
- 10.1186/s13068-021-02000-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
温度对运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis) ZM4的生理和转录组影响，以及耐高温重组菌株的基因靶点开发
研究策略
通过不同温度(24、30、36、40、45°C)培养，测定生长、形态、葡萄糖消耗、乙醇产量及EGFP表达，并结合RNA-Seq转录组分析差异表达基因；基于转录组和文献比较基因组筛选候选耐热基因，利用质粒过表达和诱导型启动子替换进行遗传验证
核心内容
本研究系统考察了运动发酵单胞菌ZM4在24至45°C范围内的生理与转录组响应，并据此筛选耐高温重组菌株的基因靶点。通过测定不同温度下的生长、形态、葡萄糖消耗、乙醇产量及异源EGFP表达，结合RNA-Seq分析差异表达基因，发现高温显著改变细胞形态，使短杆变为长丝状；45°C下ZM4最高OD600约0.70，最高乙醇产量8.5 g、消耗葡萄糖19.7 g，而ZM4_EGFP对应值仅为3.8 g和9.2 g，且EGFP表达在36°C最强、45°C大幅下降。转录组比较显示，与30°C相比，45°C下共959个基因差异表达（478个上调、481个下调），其他温度差异较小。基于转录组与比较基因组筛选出ZMO0236、ZMO1335、ZMO0994、groESL和cspL等候选基因，质粒过表达验证表明这些基因可提高ZM4在高温下的生长能力。该工作揭示了高温对ZM4发酵和蛋白表达的深层影响，并提供经遗传验证的耐热基因靶点，为构建耐高温工业菌株奠定了基础。
创新点
系统研究了广范围温度下ZM4的转录组谱，识别并验证了ZMO0236、ZMO1335、ZMO0994、groESL和cspL等耐热相关基因，为耐高温菌株开发提供新靶点
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Zymomonas mobilis ZM4 | 应激响应/细胞分裂 | ZMO0236 | Mrp family chromosome partitioning ATPase | 调控 | 染色体分配ATPase，过表达提高高温下生长 |
| Zymomonas mobilis ZM4 | 氧化还原平衡 | ZMO1335 | Flavoprotein WrbA | 催化 | 黄素蛋白WrbA，过表达提高耐热性 |
| Zymomonas mobilis ZM4 | 应激响应 | ZMO0994 | uncharacterized protein (LEA-like) | 调控 | LEA样蛋白，过表达提高耐热性 |
| Zymomonas mobilis ZM4 | 蛋白折叠/热激响应 | groESL (ZMO1928-ZMO1929) | Chaperonin Cpn10 and GroEL | 调控 | 伴侣蛋白，过表达groESL提高耐热性 |
| Zymomonas mobilis ZM4 | 应激响应 | cspL | Cold shock protein CspL | 调控 | 异源冷休克蛋白，过表达提高高温生长 |
| Zymomonas mobilis ZM4 | 蛋白质量控制 | clpB | ATP-dependent chaperone ClpB | 调控 | 单独过表达clpB未提高耐热性，与groESL共表达反而生长变差 |
| Zymomonas mobilis ZM4 | 蛋白降解 | ZMO0234 | Protease Do | 催化 | 蛋白酶，与耐热性相关但未验证过表达效果 |
| Zymomonas mobilis ZM4 | 热激调控 | ZMO0015 | Heat-induced transcriptional repressor HcrA | 调控 | 过表达反而导致热敏感 |
关键发现
- 温度升高导致细胞形态从短杆变为长丝状，FSC增大
- 45°C时ZM4最高OD600约0.70，ZM4_EGFP约0.40
- ZM4最高乙醇产量8.5±3.3 g，消耗葡萄糖19.7±6.8 g，而ZM4_EGFP最高乙醇3.8±0.4 g，消耗葡萄糖9.2±2.8 g
- 与30°C相比，45°C下ZM4有478个基因上调和481个基因下调，共959个差异表达基因
- 其他温度差异基因较少(24/30:12, 30/36:21, 30/40:81, 40/45:1014)
- EGFP表达在36°C最强，45°C显著下降
- 过表达ZMO0236、ZMO1335、ZMO0994、groESL和cspL可提高ZM4在高温下的生长能力
研究结论
温度特别是高温显著影响ZM4的生长、发酵性能和异源蛋白表达，转录组分析揭示大量热应激响应基因；遗传学验证表明ZMO0236、ZMO1335、ZMO0994、groESL和cspL过表达可增强耐热性，为构建耐高温工业菌株提供了基因靶点和筛选方法