植物乳杆菌plantaricin163合成代谢的诱导和调控的分子机制

Plantaricin is a class of bacteriocin with a broad antimicrobial spectrum. In view of the fact that the study of plantaricin is limited to the isolation, identification, antibacterial spectrum and the fermentation optimization. The molecular mechanism of plantaricin synthesis, metabolic regulation and induced transcription initiation is uncertain. In the previous study, Lactobacillus plantarum 163, which has high antibacterial activity, was isolated and the whole genome were sequence and analyzed. The aim at this study was to analyze the different expression levels of plantaricin synthesis gene under different culture conditions by genomics, proteomics and metabolomics. The expression of key genes in metabolic pathways was changed by gene knockout, silencing, editing and overexpression techniques, and the mechanism of metabolic regulation of plantaricin was elucidated. The molecular model of plantaricin-induced transcription was established by altering the induced peptides, studying the effect of structural model, hydrophobicity and charge on induced transcription efficiency. The results will provide a theoretical basis for improving the fermentation efficiency of plantaricin and industrial production by designing self-inducing peptides with higher induction efficiency, optimizing metabolic pathways.

植物乳杆菌素（plantaricin）是一类具有较宽抗菌谱的细菌素。针对目前国内外对plantaricin局限于分离鉴定、抗菌谱以及发酵优化等，而对其合成的代谢调控和启动转录的多肽诱导的分子机制研究少的问题。本研究在分离获得一株抗菌活性高的植物乳杆菌163和完成基因组测序的基础上，旨在利用基因组学、蛋白质组学和代谢组学等组学技术，分析不同培养条件下plantaricin合成代谢基因表达的差异,利用基因敲除、沉默、编辑和过表达技术，调节代谢路径中关键基因的表达量，阐明plantaricin的合成代谢调节机制。并通过对plantaricin诱导启动转录诱导物的改造，研究多肽诱导物的结构、疏水性和电荷对诱导转录效率的影响，确立plantaricin诱导转录的多肽分子模型。研究结果将为设计具有更高诱导效率的自诱导肽，优化代谢路径，提高plantaricin的产量和工业化生产提供理论依据。

植物乳杆菌素是一种广谱、高效、安全的抗菌肽，对多种食品腐败菌和食源性致病菌具有较好的抑制效果，在食品防腐保鲜领域具有广阔的应用前景。但是其生物合成的机制尚不清晰，本课题从不同培养条件下植物乳杆菌素产量差异出发，综合基因组学、转录组学和蛋白质组学，分析培养条件对细胞代谢和植物乳杆菌素合成的影响。进一步地，筛选出调控植物乳杆菌素合成的转录调控因子，并对其调控机制进行研究。随后采用定点突变和体外结合试验，分析自诱导肽激活植物乳杆菌素合成的分子机制，构建二者相互作用的分子模型。最终阐明植物乳杆菌素合成的调控机制，为后期代谢路径优化，提高植物乳杆菌素产量提供理论依据，为其工业化的生产提供技术支持。.结果表明麦芽糖通过抑制了细胞的糖酵解途径，增强了磷酸戊糖途径，促进了嘌呤核苷酸的合成，影响胞内第二信使cGMP和cAMP的浓度，间接的调控植物乳杆菌素的合成。此外转录调控因子1609结合PplnG启动子，促进植物乳杆菌素转运蛋白的表达，进而提高其产量。转录调控因子2642结合PplnA启动子，促进自诱导肽PlnA的表达，进而通过PlnABD系统调控植物乳杆菌素的合成。并通过DNA步移的方法确定了2642在PplnA上的结合位点。自诱导肽PlnA的疏水区域ISLM通过疏水相互作用结合到PlnB的loop2上，进而激活PlnB。而乙酸根作为诱导物通过静电相互作用结合到PlnB的loop4上，激活PlnB，进而调控植物乳杆菌素的合成。PlnA和乙酸根具有相同的调控路径PlnBD，在体外二者的诱导作用具有加和性。在L. plantarum 163 培养过程中PlnA在对数期产生，乙酸根在稳定期产生，所以二者诱导植物乳杆菌素合成具有生长时期特异性。总之，植物乳杆菌素的调节是由群体感应系统PlnABD，胞内第二信使和转录调控因子共同决定的。