在生物发酵过程中,酸性发酵产物或副产物的积累会降低发酵液pH,导致发酵菌受到酸胁迫而细胞膜结构变化、蛋白(酶)变性和DNA损伤,继而使菌株的生长和生产受到抑制。尽管添加碱可中和发酵过程中产生的酸以减缓细胞受到酸胁迫,但碱的添加又会引起诸如分离成本升高、废水排放量增加的问题。因此,相比添加碱性物质维持中性pH的传统做法,提升微生物自身的抗酸性能是一种更有效,更具成本效益的应对酸胁迫解决方案,也是发酵产业节能减排,过程绿色化的关键策略之一。
近日,华南理工大学生物科学与工程学院林章凛、杨晓锋课题组在Applied and Environmental Microbiology杂志上发表文章“Engineering of the sRNA DsrA together with the sRNA chaperone Hfq enhances the acid tolerance of E. coli”。研究发现非编码小分子RNA(sRNA)DsrA与其伴侣蛋白Hfq同时过表达,能显著提高细胞对低pH环境的耐受能力(DsrA-Hfq结合后可激活大肠杆菌内部对应的应激反应σS因子),可在中度酸(pH=4.5)的培养条件下维持细胞的生长活力。DsrA-Hfq模块的定向进化进一步提高了菌株的酸耐受性,与起始菌株MG1655相比,抗酸能力最强突变体在pH 4.5时生长性能提高了51%-72%。
研究通过表达分析了DsrA,RprA和ArcZ三种sRNA对大肠杆菌耐酸的影响,发现DsrA与其伴侣蛋白Hfq同时过表达能显著提升细胞在中度酸(pH=4.5)条件下的最大OD值。基于CRISPR/Cas9和易错PCR在基因上进化DsrA-Hfq,筛选出了6个显著提高生长性能的突变株,其中效果最好的突变株在pH=4.5的条件下生长性能相比原始菌株提升了72%。随后的转录分析与生化分析发现,在耐酸表现最好的两株工程菌中,σS因子的表达时间提前、表达水平提高;质子消耗系统、蛋白质质量控制系统和活性氧自由基清除系统对应的五个基因(gadE,gadB,ybaS,hdeB 和katE)的转录和表达的时间和水平也具有类似的变化。研究提示了DsrA-Hfq模块通过激活σS因子,进而强化了相关的三个应对酸胁迫的关键系统以提高细胞的抗酸性能。
该工作得到了国家重点研发计划“合成生物学”专项(2018YFA0901000)等项目的资助。
文章链接:https://aem.asm.org/content/early/2021/03/02/AEM.02923-20
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