基于三代测序技术研究嗜热链球菌胞外多糖的生物合成机制

The exopolysaccharides (EPSs) of lactic acid bacteria can increase the viscosity of acidified milk, prevent the precipitation of whey, and enhance curd strength; thus, they are a focus of research in food science. The development of high-throughput sequencing has facilitated the discovery and investigation of the EPS-encoding gene clusters of lactic acid bacteria, but our understanding of EPS biosynthesis is incomplete. Using a third-generation sequencing technique and bioinformatics analysis, we uncovered the genome-scale metabolic network of Streptococcus thermophilus, which produces EPSs, and analyzed differences in sequence, structure, genetic modification, and transcriptional level among strains to identify genes that influence the EPS composition. Additionally, we used the Cre-LoxP system to knock out the identified genes to construct EPS mutant strains, and analyzed the effect on EPS composition. Our findings will facilitate further research on the EPSs of S. thermophilus.

乳酸菌胞外多糖具有增加发酵乳粘度，防止乳清析出，增强凝乳强度等特性，是目前食品科学领域的研究热点之一。随着高通量测序技术的快速发展，更多乳酸菌胞外多糖基因簇被发现和研究，但对菌株与胞外多糖生产相关的整体代谢机制缺乏足够的认识。本项目以产胞外多糖的嗜热链球菌为研究对象，采用三代测序技术并结合生物信息学分析方法，从基因组水平对产胞外多糖的嗜热链球菌进行全面系统的调查研究，构建产胞外多糖嗜热链球菌的基因组尺度代谢网络，分析不同菌株在序列、结构、遗传修饰及转录水平上的差异，预测能影响胞外多糖表型特征的关键靶基因。在此基础上，利用已建立的Cre-LoxP系统构建EPS突变株，分析上述靶基因的缺失对胞外多糖表型特征的影响，阐明嗜热链球菌胞外多糖表型差异产生的分子机制，为嗜热链球菌及其生产的胞外多糖的研究和开发工作提供科学依据和理论指导。

胞外多糖（Exopolysaccharide，EPS）作为乳酸菌的一种重要的次级代谢产物，具有改善产品质构，提高产品甜度及营养价值等特性，是近年来研究人员追捧的热点。本研究以高产EPS的Streptococcus thermophilus为研究对象，对菌株所产EPS的结构、生物活性及基因组信息进行分析，并结合基因组学和转录组学探讨菌株在不同生长时期与胞外多糖生物合成相关的基因表达量差异。结果表明S. thermophilus IMAU20551在M17培养基中EPS的产量为268.25±5.36 mg/mL，生产的EPS由2种多糖组分构成，其中中性多糖（WPS-807）分子量为1.028×105 Da，主要由葡萄糖、半乳糖和甘露糖组成，并含有少量的鼠李糖和阿拉伯糖，酸性多糖（SPS-807）分子量为8.601×104 Da，单糖组分更为复杂，主要由甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖组成。基因组生物信息学分析结果表明，S. thermophiles IMAU20551含有调控EPS生产的基因簇，该基因簇全长19376 bp，其中与EPS合成相关的基因共有18个，主要包括epsA、epsB、epsC、epsD、epsE、eps1F、eps2F、epsJ、wzx、epsP和epsX等，这些基因分别调控EPS的合成，组装以及转运输出，且在不同生长时期所有eps基因均可表达。转录组学的分析结果表明，不同氮源培养基中S.thermophilus IMAU 20561在不同生长时期的差异基因显著富集于氨基酸生物合成及代谢、核糖核苷酸的生物合成与代谢、IMP生物合成与代谢及磷代谢过程等。这些研究结果为 乳酸菌胞外多糖的深入研究及其在发酵乳制品中的应用提供一定技术参考。