近期，江南大學生物工程學院陳堅院士課題組張娟教授團隊在提高大腸桿菌耐受性以增長D-乳酸生產能力方面取得重要進展，研究成果“[NiFe] Hydrogenase Accessory Proteins HypB?HypC Accelerate Proton Conversion to Enhance the Acid Resistance and D?Lactic Acid Production ofEscherichia coli”正式發表于ACS Synthetic Biology（IF = 5.11） （https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssynbio.1c00599）。江南大學2017級博士研究生楊謹華為第一作者，堵國成教授和張娟教授為論文的通訊作者。
大腸桿菌因其具有發酵周期短、能量需求量小等優勢，是D-乳酸的主要工業生產菌株。然而，D-乳酸這一酸性代謝物的積累會導致環境的pH值迅速下降，破壞細胞內的平衡。為了對抗這種不利的生存環境，細胞會分配更多的能量來調節抗酸功能因子的表達和誘導蛋白的表達，這將導致細胞的生理活性和生產能力顯著下降。目前，添加中和劑是常用的解決方案，但該法會增加細胞的滲透壓脅迫，并增加生產成本，且較高的pH值將提升D-乳酸在未解離狀態下的回收難度。顯然，提高大腸桿菌的耐酸能力是提高細胞性能和生產價值的關鍵，但部分蛋白質生理功能的缺失或強化可能會破壞生產菌株中已經優化的代謝途徑。
張娟教授團隊針對目前平衡細胞耐受性和生產能力的問題，借助組學研究和系統生物學工具，研究了耐酸性表型的觸發機制，即獲得提高D-乳酸耐受性同時不影響細胞正常代謝的有效元素。耐酸適應性進化菌株的轉錄組檢測表明，在[NiFe]氫化酶成熟過程中，過表達編碼附屬蛋白的基因HypB和HypC可以大大提高大腸桿菌在D-乳酸致死脅迫下的生存能力。[NiFe]氫化酶附屬蛋白HypB和HypC是一類可以協助氫化酶催化質子還原生成氫的耐酸因子。在D-乳酸致死脅迫下，加強HypB和HypC的表達可使細胞存活率提高336.3倍。此外，HypB和HypC可以幫助D-乳酸生產菌在酸性發酵環境中表現出更高的可持續生產力，D-乳酸滴度將提高113.6%。為了進一步完善氫化酶附屬蛋白的表達體系，本研究引入強酸驅動型啟動子tdcAp，在保持D-乳酸最大強度生產的同時，可將發酵過程中的中和劑需求降低約26.7%。最終，該工程菌在低pH條件下顯著提高了D-乳酸的生產能力和葡萄糖的利用率，并減少了中和劑的使用。這是首次報道氫化酶附屬蛋白能夠增強大腸桿菌對D -乳酸的耐酸性的研究，基于氫化酶系統的共性，該研究可為提高菌株在有機酸生產中的耐酸性提供參考。
上述研究得到了國家重點研發計劃（2019YFC1605800）、國家重點實驗室食品科學與技術的獨立研究項目（SKLF-ZZB-202015）的資助。
日期：2022-06-07
大腸桿菌因其具有發酵周期短、能量需求量小等優勢，是D-乳酸的主要工業生產菌株。然而，D-乳酸這一酸性代謝物的積累會導致環境的pH值迅速下降，破壞細胞內的平衡。為了對抗這種不利的生存環境，細胞會分配更多的能量來調節抗酸功能因子的表達和誘導蛋白的表達，這將導致細胞的生理活性和生產能力顯著下降。目前，添加中和劑是常用的解決方案，但該法會增加細胞的滲透壓脅迫，并增加生產成本，且較高的pH值將提升D-乳酸在未解離狀態下的回收難度。顯然，提高大腸桿菌的耐酸能力是提高細胞性能和生產價值的關鍵，但部分蛋白質生理功能的缺失或強化可能會破壞生產菌株中已經優化的代謝途徑。
張娟教授團隊針對目前平衡細胞耐受性和生產能力的問題，借助組學研究和系統生物學工具，研究了耐酸性表型的觸發機制，即獲得提高D-乳酸耐受性同時不影響細胞正常代謝的有效元素。耐酸適應性進化菌株的轉錄組檢測表明，在[NiFe]氫化酶成熟過程中，過表達編碼附屬蛋白的基因HypB和HypC可以大大提高大腸桿菌在D-乳酸致死脅迫下的生存能力。[NiFe]氫化酶附屬蛋白HypB和HypC是一類可以協助氫化酶催化質子還原生成氫的耐酸因子。在D-乳酸致死脅迫下，加強HypB和HypC的表達可使細胞存活率提高336.3倍。此外，HypB和HypC可以幫助D-乳酸生產菌在酸性發酵環境中表現出更高的可持續生產力，D-乳酸滴度將提高113.6%。為了進一步完善氫化酶附屬蛋白的表達體系，本研究引入強酸驅動型啟動子tdcAp，在保持D-乳酸最大強度生產的同時，可將發酵過程中的中和劑需求降低約26.7%。最終，該工程菌在低pH條件下顯著提高了D-乳酸的生產能力和葡萄糖的利用率，并減少了中和劑的使用。這是首次報道氫化酶附屬蛋白能夠增強大腸桿菌對D -乳酸的耐酸性的研究，基于氫化酶系統的共性，該研究可為提高菌株在有機酸生產中的耐酸性提供參考。
上述研究得到了國家重點研發計劃（2019YFC1605800）、國家重點實驗室食品科學與技術的獨立研究項目（SKLF-ZZB-202015）的資助。
日期：2022-06-07
