草酸触发枯草芽孢杆菌高效合成γ-聚谷氨酸的代谢机制

As a novel biodegradable biomaterial, Poly-γ-glutamatic acid (γ-PGA) have great potential applications in medicine and a wide range of other areas because of its excellent features. Based on the study of a novel strain Bacillus subtilis C10,it has been found that oxalic acid can trigger the biosynthesis of γPGA.To understand the possible regulatory mechanism for the improved γ-PGA biosynthesis by oxalic acid, hightrought DNA microarray-based technique will be appled to identify the important regulators .Gene overexpress and deletion technique will be used to analyses the function of regulators as well.The present work made some deep insights into the biosynthesis and regulation of γ-PGA and promises some novel strategies for industrial production of the important biopolymer in the future.

聚γ-谷氨酸主要是由芽胞杆菌产生的一种生物可降解高分子聚合物，可广泛用于工业、环保、农业、医药等领域。课题组在前期筛选获得γ-聚谷氨酸高产专利菌株- - 枯草芽胞杆菌C10并发现草酸能够触发该菌株高效合成聚谷氨酸。在此基础上，以C10为实验菌株，借助高通量的转录组学技术，分析草酸引发的枯草芽孢杆菌C10内基因表达的时序变化，推断差异表达基因和聚谷氨酸合成之间的相关性，筛选参与代谢网络调节的关键因子，并进一步通过对关键调控基因的过表达和敲除，阐明关键基因对γ-聚谷氨酸代谢调节的机理，最终为筛选代谢工程改造靶点基因提供理论依据。

γ-聚谷氨酸(Poly γ-glumatic acid，γ-PGA) 是由微生物发酵产生的水溶性多聚氨基酸，由L-谷氨酸、D－谷氨酸通过γ－酰胺键结合形成的高分子聚合物。在医药、食品、农业和环境治理等领域具有广泛的应用前景。本项目以一株谷氨酸非依赖型γ-PGA合成菌C10为实验菌种，测定了菌株在不同培养条件和不同培养时间的转录组数据，通过差异基因的分析和构建差异基因的调控关系网络，并结合分批发酵的数据进行比较和分析，确定了γ-PGA代谢相关的调控因子和代谢途径相关的重要基因。在添加草酸钠的培养条件下，由于草酸钠高度氧化不能为菌种作为碳源利用，因而对微生物有一定毒性作用。这种环境信号传递到细胞内，解淀粉芽孢杆菌对于草酸钠的产生了应急反应机制，以sigB、sigW、sigD、sigL等sigma因子和TnrA、YvrH、DegQ等转录调控因子及其所控制的基因表达上调为主要的转录响应。在草酸钠的诱导下，细胞内的氮代谢有明显的改变，谷氨酸组氨基酸代谢大部分显著上调，表明细胞内合成大量谷氨酸，合成的谷氨酸一部分作为γ-PGA的前体聚合成为γ-PGA，另外一部分进入精氨酸合成途径。因此精氨酸合成途径中的关键基因敲除或敲低，将有利于菌体合成更多γ-PGA。培养基中的草酸钠通过草酸脱羧酶和甲酸脱氢酶逐步降解为二氧化碳，并未进入中心碳代谢，可能只起到了诱导细胞产生应急代谢的的作用。本项目部分阐明草酸触发的解淀粉芽孢杆菌C10高效合成γ-聚谷氨酸的机制，并建立了解淀粉芽孢杆菌C10的基因敲除体系，为深入研究相关基因在代谢网络中的功能奠定基础。