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发布日期：2024-08-04 作者：开云
酷热的气候里，一杯喷鼻甜的果汁很快就会变质，有时还会发生酒精味。这极可能是一种“善于”将葡萄糖和果糖转化为乙醇的细菌在“作怪”。
不外这类自然能发生乙醇的“祸首罪魁”倒是科学家眼中的潜力股——有天资成为像酵母、年夜肠杆菌那样的底盘细胞，为人类制造年夜宗化学品。
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转录因子不变细菌染色体三维构象顺应情况勒迫。中国农科院沼科所供图
这就是早在1928年被人们发现的活动发酵单胞菌。5月8日，农业农村部成都沼气科学研究所研究员何明雄团队在《核酸研究》（Nucleic Acids Research）在线颁发研究论文。他们阐发了活动发酵单胞菌为顺应情况勒迫的染色体三维构象，揭露了原核生物中普遍存在的转录因子介导染色体三维构象，并调理抗逆基因表达以应对情况勒迫的份子机制。
论文审稿人认为，这是一项很是有趣的发现，由于作者发现化学份子和转录因子对细菌染色体的三维构象发生影响，从而增进或按捺基因转录。这项研究不但为熟悉原核生物基因组布局与功能的关系供给新的科学根据，也为从三维基因组层面进行工程菌株的理性设计奠基了根本。
细胞工场“潜力股”：自然产乙醇的细菌
一种能把葡萄糖和果糖酿成乙醇的细菌，“活动发酵单胞菌具有一种非凡的心理生化特征。”论文通信作者何明雄介绍，它之所以能发生乙醇，端赖其代谢路子中的特定酶系统。这些酶系统让它将碳源（如葡萄糖）转化为丙酮酸，并继续转化为乙醇和二氧化碳。
假如能把农林烧毁物——例如秸秆等生物资转化成葡萄糖或果糖，再用这类细菌处置，岂不是可以“便当”地取得工业用乙醇？
并且，有研究发现，活动发酵单胞菌在食物、健康和医药等范畴也展现了广漠的利用前景。
“把活动发酵单胞菌开辟成底盘细胞。”这个思绪听起来很美。
何明雄说，但是，秸秆等生物资资本布局致密、难降解，难以操纵。在其转化进程中，需要颠末预处置来释放秸秆中的葡萄糖等营养物资。但这些预处置发生的水解液存在很多微生物发酵的按捺剂，如乙酸、呋喃甲醛、酚类和盐类化合物等。此中，乙酸和呋喃甲醛是首要的两类有毒副产品。
“这些按捺剂会致使微生物发酵的转化效力年夜幅降落。”何明雄说，假如能挑选出对按捺剂有抗性的菌株，有望找到相干的抗性基因。
在是，7年前，何明雄团队硕士生王薇廷最先着手做菌株突变挑选，方针就是挑选出可以或许耐受这些按捺剂的抗逆菌株，即能在这些勒迫情况下，高效地操纵糖类发生方针产品而抵抗这些按捺剂的干扰。与此同时，摸索活动发酵单胞菌中可能存在的抗逆份子机制。
经由过程基因组重组等手艺，王薇廷终究选育出具有抗逆特征的活动发酵单胞菌菌株ZM532，年夜幅晋升了其生物转化效力。
当取得耐受菌株以后，他们就想去领会这些菌株为什么会发生抗逆性状。经常使用的阐发方式是基因组重测序、转录组学、卵白组学等，但阐发成果却有点出乎料想——虽然此中的一些基因与抗逆表型相干，但依然不克不及完全注释抗逆表型产生显著改变的机制。
传统手段“掉灵”：踏上基因组三维布局探秘之旅
“我们团队前期利用了基因组重测序手艺和转录组学阐发去揭露抗逆机制。”论文第一作者、沼科所博士陈茂说，成果发现，活动发酵单胞菌抗逆菌株的基因组上产生了单核苷酸突变（SNP）、片断的插入和缺掉等突变。
他们又测验考试从基因组突变联系关系的基因来寻觅抗逆表型发生的缘由。但这些突变联系关系的基因多与抗逆无关。
2019年，博士生Samina最先做转录组和卵白组阐发，试图发掘要害调控因子，在转录程度上注释抗逆机制，成果亦没法注释表型产生庞大改变的缘由。
“这些成果显示，在活动发酵单胞菌中，基因组突变与抗逆表型之间存在不匹配的现象。”何明雄说，在细菌中，基因组变异是其顺应勒迫情况的常见现象。“人们经常认为这些突变会致使细菌抗逆表型改变，但有时在一维层面，也就是基因程度，可能没法注释这类表型为什么产生改变。”
虽然人们已知道在真核生物中，基因组突变可能会改变染色体的三维布局，致使癌症等疾病的产生。但在原核生物中，基因组突变与染色体构象之间的关系依然知之甚少。
而染色体构象是染色体在三维空间上的组织和摆列体例，包罗染色体的折叠、染色体区域之间的彼此感化等。这些高阶布局对基因的表达和调控有主要影响。
受真核生物三维基因组学相干研究的开导，何明雄团队提出假定，会不会是基因组突变致使了染色体三维布局的改变，从而致使抗逆表型的产生，也就使得传统方式如基因组学、转录组学、卵白组学等一维二维的手艺难以发现抗逆表型背后的机制。
2020年，正在攻读博士学位的陈茂踏上了三维基开云体育app因组布局摸索之旅，测验考试验证要害调控因子功能，解析三维基因组动态转变，揭露抗逆调控的份子机制。
加速“细胞工场”选育历程
事实基因组突变和情况勒迫（如乙酸和呋喃甲醛）对活动发酵单胞菌三维染色体构象是若何发生影响的？
论文配合第一作者、沼科所副研究员吴波介绍，在三维基因组研究中，凡是把DNA一维程度上相距几百kb的位点之间的互作称为长距染色体互作，而把相距几十kb乃至更小距离的互作称为短距互作。
“我们的研究发现，基因组突变仅改变结局部的短距染色体互作；当乙酸和呋喃甲醛勒迫后，不但改变了长距互作，也改变了短距互作。这些短距互作组成了染色体布局域，这是染色体三维构象的根基布局单位。”吴波说。
他们进一步解析告终构域鸿沟特点，并发现了一类主要的转录因子，即铁接收调理卵白（Fur）家族。在活动发酵单胞菌中，这个调理卵白家族中还包罗锌接收调理卵白（Zur）。“假如敲除这两个相干基因，会严重影响该菌的抗逆乙酸和呋喃甲醛表型。”陈茂说。
何明雄注释说，细菌的转录因子对细菌顺应窘境是相当主要的，由于这些卵白可以调控一系列基因表达，从而影响细菌的心理代谢进程。以往的研究首要是存眷转录因子最首要的功能——即调理基因表达，是从一维程度上去论述这些调理的主要性。但转录因子连系在染色体上调理基因表达的同时，就有可能对三维构象发生影响。
“我们研究不但注解转录因子有调理基因表达顺应情况的能力，并且保持了染色体三维构象的不变性。”何明雄说，这是初次在细菌中证实全局性转录因子具有调控染色体三维构象的能力。
该研究从全新的角度阐释了“布局决议功能”这一焦点份子生物学问题，揭露了抗逆表型构成的份子机制，为熟悉原核生物基因组布局与功能的关系供给新的科学根据。
何明雄强调，抗逆份子机制的解析也利在对菌株直接进行理性设计。所谓理性设计是基在对微生物生物学、代谢路子和基因组学等深切的理解，经由过程切确的设计和调控微生物的基因组、代谢路子或心理特征，来实现特定的育种方针。从染色体布局的角度去存眷染色体彼此感化对理性设计的影响，可以加速表型进化的效力。
“我们的研究尚处在低级阶段，将来我们将积极摸索三维基因组在合成生物学中的利用。”何明雄说，弄清晰了活动发酵单胞菌的抗逆机制，就有望高效操纵秸秆等农林烧毁物，乃至开辟出新的“细胞工场”。
相干论文信息：https://doi.org/10.1093/nar/gkae318
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