李寅课题组发现大肠杆菌耐热新机制

来源：中国科学院微生物研究所   发布者：张荐辕   日期：2015-04-17  

利用微生物来生产燃料及化学品，不但需要微生物具有较高的生产能力，还需要其具备较好的环境耐受性。比如针对工业生产中经常出现温度波动的情况，选用一个热耐受性较好的微生物是很有必要的。目前大肠杆菌已在丁醇、1,4-丁二醇、聚3-羟基丁酸-4-羟基丁酸酯方面等化学品的生产方面表现出良好的应用前景。因此，提高大肠杆菌的热耐受性对于推动大肠杆菌在工业生产上的应用有一定的价值。 微生物所李寅研究员课题组利用之前开发的基于基因组复制改造的连续进化方法（Genome Replication Engineering Assisted Continuous Evolution, GREACE），提高了大肠杆菌的热耐受性，随后通过比较基因组分析发现了大肠杆菌热耐受性的新机制，为后续进一步提高热耐受性提供了改造思路。 GREACE技术是李寅课题组所在团队于2013年开发的一种针对大肠杆菌的连续进化技术（Luan et al. Biotechnol. Biofuels, 2013, 6:137）。通过在大肠杆菌体内植入保真性下降的DNA聚合酶元件，可以诱发大肠杆菌进入高突变态，从而使大肠杆菌基因组在复制过程中不断产生突变。在环境压力下，积累有益突变的子代细胞会自动被筛选出来。不断提高环境压力，就可以使大肠杆菌不断地适应新的压力，达到连续进化的目的。本研究中，研究人员尝试了突变强度分别为强、中、弱的三个增变子（mutator，即保真性下降的DNA聚合酶元件），最后发现强增变子在改造热耐受性方面具有更好的效果。随后利用该增变子进行连续传代，在两个月的时间内将大肠杆菌DH5a的热耐受性从46°C提高到50°C。而2010年一篇JBC文献采用传统驯化方法，花了两年时间才将大肠杆菌的热耐受性提高到48.5°C（Rudolph et al. J Biol Chem, 2010, 285:19029-19034）。随后，研究人员对所获得的耐热型菌株和野生型菌株进行了比较基因组分析，一共发现361个突变，均匀分布在整个基因组中。其中280个突变位于基因编码区，80个位于基因间隔区。另外，361个突变中共包含325个单点突变，14个碱基插入及22个碱基缺失。这说明GREACE技术能产生所有类型的突变，且没有明显的区域偏好性。对这些突变进行更为细致的分析，发现大部分（49/142）与细胞代谢相关的基因突变均发生在转运蛋白中，涉及氨基酸、糖、金属、氨等物质的转运。这说明大肠杆菌极有可能通过关闭与外界环境的物质转换系统来使自己免于受到高温的伤害。此外，耐热型菌株在基因组构象、细胞膜相关基因、以及全局转录因子等方面的改变，也是其获得热耐受性的原因。 该项研究成功提高了大肠杆菌的热耐受性这一非常难于改造的性状，并通过比较基因组学研究，揭示了大肠杆菌热耐受性的新机制。研究结果不仅可以提高一个耐受热的大肠杆菌底盘细胞，还为进一步提高热耐受性提供了改造思路。 这些结果已于2015年2月26日在New Biotechnology《新生物技术》在线发表，题为“Comparative genome analysis of a thermotolerant Escherichia coli obtained by Genome Replication Engineering Assisted Continuous Evolution (GREACE) and its parent strain provides new understanding of microbial”。李寅课题组的博士生栾国栋和鲍冠辉为该文章的共同第一作者。蔡真副研究员为该文的通讯作者。该研究得到了国家科技部“973计划”和“863计划”的资助。

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