Quantitative proteomic analysis to reveal expression differences for butanol production from glycerol and glucose by Clostridium sp. strain CT7
- 作者
- Yujia Jiang, Ruofan Wu, Jiasheng Lu, Weiliang Dong, Jie Zhou, Wenming Zhang, Fengxue Xin, Min Jiang
- 单位
- State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering, College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering, Nanjing Tech University; Jiangsu National Synergetic Innovation Center for Advanced Materials (SICAM), Nanjing Tech University
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2021）
- DOI
- 10.1186/s12934-021-01508-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
揭示Clostridium sp. strain CT7在甘油和葡萄糖条件下丁醇产量差异的蛋白表达机制，尤其是甘油条件下丁醇高产、VFA低产的分子基础。
研究策略
采用iTRAQ定量蛋白质组学技术，比较甘油与葡萄糖为碳源时菌株CT7在不同发酵阶段的蛋白表达谱，结合发酵产物分析，解析关键代谢通路和调控蛋白的差异。
核心内容
本研究以新型丁醇生产菌Clostridium sp. strain CT7为对象，采用iTRAQ定量蛋白质组学技术系统比较了以甘油和葡萄糖为碳源时该菌株的蛋白表达差异，旨在解析甘油条件下丁醇高产而挥发性脂肪酸低产的分子机制。发酵结果显示，以60 g/L甘油为碳源时丁醇产量达16.60 g/L，丁醇比例高达95.68%；而同样浓度的葡萄糖下丁醇仅1.80 g/L，挥发性脂肪酸总量却达6.12 g/L。蛋白质组学共鉴定1840个蛋白，其中1516个实现定量。在甘油培养条件下，甘油氧化通路关键酶DHAK和GLD分别上调9.29倍和6.57倍，溶剂合成相关蛋白ALDH上调3.03至4.44倍、BDH上调3.85和3.90倍；电子传递系统中[FeFe]氢化酶早期上调1.82倍，电子转运复合体亚基D上调5.47倍，而stage V孢子形成蛋白上调7.90倍。相反，葡萄糖条件下酸合成通路蛋白PTA、ACK下调约0.5倍，PTB下调0.61倍。研究揭示甘油高效产丁醇的分子基础在于甘油氧化与糖酵解通路的协同增强、溶剂合成蛋白的整体上调、还原力供应及电子传递能力的提升，以及菌株更早启动孢子形成程序。这些发现为工业菌株利用甘油底物进行丁醇生产的代谢工程改造提供了重要的蛋白水平靶点参考。
创新点
首次对新型丁醇生产菌Clostridium sp. strain CT7进行甘油/葡萄糖比较蛋白质组学分析，发现电子传递系统增强和孢子形成提前与甘油高效产丁醇相关，为甘油脂基丁醇生产的代谢工程改造提供新靶点。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium sp. strain CT7 | 甘油代谢 | — | 甘油脱氢酶 (GLD) | 催化 | 上调，甘油氧化关键酶 |
| Clostridium sp. strain CT7 | 甘油代谢 | — | 二羟基丙酮激酶 (DHAK) | 催化 | 上调，甘油利用关键酶 |
| Clostridium sp. strain CT7 | 糖酵解 | — | 甘油醛-3-磷酸脱氢酶 (GAPD) | 催化 | 上调，参与糖酵解 |
| Clostridium sp. strain CT7 | 糖酵解 | — | 丙酮酸激酶 (PYK) | 催化 | 上调，参与糖酵解 |
| Clostridium sp. strain CT7 | 丙酮酸代谢 | — | 丙酮酸:铁氧还蛋白/黄素氧还蛋白氧化还原酶 (PFOR) | 催化 | 上调，催化丙酮酸氧化脱羧 |
| Clostridium sp. strain CT7 | 氢代谢/电子传递 | — | [FeFe]氢化酶 | 催化 | 早期上调，产氢并再生铁氧还蛋白 |
| Clostridium sp. strain CT7 | 电子传递 | — | 铁氧还蛋白 (Ferredoxin) | 转运 | 电子载体，参与还原力传递 |
| Clostridium sp. strain CT7 | 电子传递 | — | 电子转移黄素蛋白 (ETF) | 转运 | 电子载体，将电子传递给铁氧还蛋白 |
| Clostridium sp. strain CT7 | 电子传递 | — | 电子转运复合体亚基D | 转运 | 上调5.47倍，增强电子传递 |
| Clostridium sp. strain CT7 | 丁醇合成 | — | 醛脱氢酶 (ALDH) | 催化 | 上调，催化醛氧化为酸或醇 |
| Clostridium sp. strain CT7 | 丁醇合成 | — | 丁醇脱氢酶 (BDH) | 催化 | 上调，催化丁醛还原为丁醇 |
| Clostridium sp. strain CT7 | 丁酸合成 | — | 磷酸转乙酰酶 (PTA) | 催化 | 下调，减少VFA生成 |
| Clostridium sp. strain CT7 | 丁酸合成 | — | 乙酸激酶 (ACK) | 催化 | 下调，减少VFA生成 |
| Clostridium sp. strain CT7 | 丁酸合成 | — | 磷酸转丁酰酶 (PTB) | 催化 | 下调，减少VFA生成 |
| Clostridium sp. strain CT7 | 孢子形成/调控 | — | Spo0A | 调控 | 上调，控制孢子形成和溶剂生成 |
| Clostridium sp. strain CT7 | 信号转导 | — | 组氨酸激酶 | 调控 | 上调1.67倍，激活Spo0A |
关键发现
- 以60 g/L甘油为碳源时，菌株CT7丁醇产量达16.60 g/L，丁醇比例95.68%，VFA总量2.95 g/L（乙醇0.75 g/L、乙酸1.01 g/L、丁酸1.94 g/L）
- 而以60 g/L葡萄糖为碳源时丁醇仅1.80 g/L，VFA总量6.12 g/L（乙酸2.34 g/L、丁酸3.78 g/L）。蛋白质组学共鉴定1840个蛋白，其中1516个定量
- 甘油培养条件下，DHAK表达上调9.29倍，GLD上调6.57倍，ALDH上调3.03、3.02和4.44倍，BDH上调3.85和3.90倍
- [FeFe]氢化酶在早期上调1.82倍，电子转运复合体亚基D上调5.47倍，stage V孢子形成蛋白上调7.90倍
- 葡萄糖条件下PTA和ACK下调0.5倍，PTB下调0.61倍。
研究结论
甘油条件下菌株CT7高效产丁醇归因于甘油氧化和糖酵解通路蛋白上调、溶剂合成蛋白（ALDH、BDH等）上调、电子传递和还原力供应增强，以及更早的孢子形成响应。这些发现为工业微生物利用甘油高效生产丁醇的代谢工程提供了理论基础。