近期，我校生物工程学院饶志明教授团队在氧化葡萄糖酸杆菌耐受有机溶剂机理研究方面取得重要进展，研究成果“Deciphering styrene oxide tolerance mechanisms in Gluconobacter oxydans mutant strain”正式发表于Bioresource Technology (IF = 9.7) (https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.130674)。
氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans）是一种专性好氧的革兰氏阴性菌，常用于生物催化领域，其细胞膜上大量的与呼吸链相关的脱氢酶具有不完全氧化多羟基类化合物的能力，但在催化过程中，转化底物大多是非水溶性的，需要添加有机溶剂改善底物溶解度，但有机溶剂对转化底盘微生物的具有极大的毒害，限制了其添加量，同时也限制了转化体系中的底物投加量和转化效率，因此迫切需要解析氧化葡萄糖酸杆菌对有机溶剂耐受性质，以开发耐有机溶剂的微生物底盘细胞。
饶志明教授团队针对氧化葡萄糖酸杆菌对有机溶剂耐受性不高以及有机溶剂对微生物毒性作用的问题，采用适应性进化结合组学分析，并检测生理特性来解析对有机溶剂耐受性质。首先，开展了氧化葡萄糖酸杆菌对有机溶剂和底物（十六烷烃、DMSO、环氧苯乙烷）的耐受性试验，利用高通量筛选结合梯度顺序升压的驯化方法，最终获得了5株溶剂耐受能力提高的驯化株，其中驯化株G. oxydans STO生长最佳，能够耐受15 g·L-1环氧苯乙烷且对不同溶剂的综合耐受性较强（其对正丁醇、苯酚、三氯甲烷、甲苯、辛醇、环己烷、丙苯、环辛烷、萘烷、正癸烷，耐受性分别提高5.22、4.19、2.66、3.01、1.32、1.71、4.57、6.27、2.01、5.46倍）。接着从生理特征变化方面分析驯化菌株耐受有机溶剂的原因，发现驯化株经环氧苯乙烷适应性进化后保持低毒性状态，导致胞内ATP浓度降低，能量供给减少，不仅抑制细胞生长，还引起自身程序性死亡；积累在细胞膜上的有机溶剂，破坏了细胞膜完整性，并降低了通透性，导致内容物流出，细胞凋亡；此外细胞变得小而圆，减少了与溶剂接触面积，膜疏水性的提高同样避免了与有机溶剂的接触，赋予驯化株抵御有机溶剂胁迫能力。其次，以出发菌株未参考，结合转录组学与全基因组测序，挖掘驯化株中影响有机溶剂耐受性关键基因。结果分析显示，驯化株STO中共有111个基因显著性差异表达，其中有47个基因上调，64个基因下调。RNA-seq数据验证了细胞外排相关基因和双组分调节系统相关基因表达上调，证实进化菌株的细胞外排转运作用强于野生型。此外，细菌的鞭毛系统也积极参与了对有机溶剂毒性的抵抗。最后，通过基因敲除和过表达，对转录组数据和微生物重测序中挖掘的关键基因GOX_RS04415、GOX_RS04560、GOX_RS04700、GOX_RS07790 和 GOX_RS12365 进行了初步验证。结果表明，GOX_RS04415 和 GOX_RS04700 在G. oxydans抵御有机溶剂胁迫中起一定作用。并进一步验证GOX_RS04415和GOX_RS04700可能分别通过影响G. oxydans的形态和生物膜形成能力来调控有机溶剂耐受性。本研究为耐有机溶剂底盘微生物的构建以及生物催化领域的应用拓展提供了重要支撑，在理论和应用方面都具有重要价值。
图形摘要
张显教授为论文的通讯作者，我校2021级硕士生陈妍为第一作者。上述研究得到了国家自然科学基金(No. 32171471)资助。
近年来饶志明教授团队以合成生物学科学理论为指导，在系统开展高效合成高值化合物细胞工厂构建及产业化方面取得丰硕成果，相关研究成果已发表在Bioresource Technology (2024)、Biotechnology Advances (2023)、Metabolic Engineering (2022)、Nucleic Acids Research (2022)、Science Advances (2020)、 Nature Communication (2018)、ACS Catalysis (2018)、Advanced Materials (2018)、Green Chemistry (2016)等本领域权威期刊。
