Forskere studerer sukkeroptagelsesmekanismen for industriel mikroorganisme

Ved hjælp af genetisk manipulation og avancerede biofysiske værktøjer har et internationalt forskerhold fået uventet indsigt i, hvordan en bakterie optager sukker, der stammer fra planteråvarer.

Deres resultater blev offentliggjort den 7. september i mBio .

"Effektiv sukkeroptagelse er afgørende for mikrobielle cellefabrikker, så sukkertransportører er vigtige mål for metabolisk konstruktion og syntetisk biologi udvikling af industrielle mikroorganismer," sagde medkorrespondrende forfatter Prof. Cui Qiu fra Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) fra det kinesiske videnskabsakademi (CAS).

Bakterien, Clostridium thermocellum, har længe været en førende kandidat inden for bæredygtig industriel produktion af biobrændstoffer. Selvom hvordan den industrielle mikroorganisme C. thermocellum optager sukkerarter har været af stor interesse i mange år, og fem potentielle sukkertransportører blev opdaget i 2009, har vanskeligheder med genmanipulation i denne bakterie begrænset funktionel validering.

Metabolomics Group på QIBEBT ledet af Cui har udviklet en række værktøjer, der er i stand til genmanipulation i C. thermocellum. Disse værktøjer omfatter celle et elektroporationsinstrument, en hurtig gen-knockout-teknik for termofile bakterier (Thermotargetron-teknik) og et præcist genom-redigeringssystem, som giver forskerne mulighed for at analysere, hvilke gener der producerer hvilke fysiske og funktionelle ændringer i bakterier, og informerer om, hvordan bakterien går i stykker ned lignocellulose, hovedbestanddelen af ​​plantecellevægge, til sukkertyper, der kan bruges til at fremstille ethanol.

Ved at kombinere disse genetiske tilgange og forskellige biofysiske teknikker identificerede forskerne transportørerne kendt som B og A som solotransportører af henholdsvis cellodextrin og glucose blandt de fem potentielle sukkertransportører i C. thermocellum. Glucose er et simpelt sukkermolekyle, mens cellodextrin består af flere bundne molekyler. "Disse resultater er ret uventede, fordi mange mikroorganismer er kendt for at have en mangfoldighed af overflødige sukkertransportører til deres vigtigste kulstofkilde," sagde Cui.

I stedet for flere transportører til at indsamle og flytte sukkerarter ligesom andre mikroorganismer, bruger C. thermocellum primært transportør B til at optage cellodextriner afledt af cellulose. Denne stamme bruger også transportør A til at optage glukose og gøre brug af den, men først efter at den er korrekt tilpasset, ifølge medkorresponderende forfatter Prof. Feng Yingang fra QIBEBT.

"Vi identificerede også et isoleret gen, 2554, som den manglende underenhed i transporter B-genklyngen," sagde Feng og bemærkede, at resultatet forklarer, hvordan transporter B's mekanisme kunne hjælpe med at udnytte lignocelluloseholdig biomasse. "Derudover påviste vi, at transportør B kobles sammen med ekspressionsreguleringen af ​​cellulosomer, proteinkomplekserne, der er ansvarlige for at producere sukker ved at nedbryde plantecellevægge."

Dette fund udvider tidligere forskning på området, hvilket tyder på, at cellulosomekspression er reguleret af en gruppe sigma/anti-sigma-faktorer med substratfølende og transskriptionsaktivitet, mens det også er koblet med sukkertransport. Og alligevel har forskerne ikke fuldt ud klarlagt den underliggende mekanisme for denne sukkertransporter-cellulosom-kobling, og opdagelsen af ​​dens eksistens styrker yderligere den potentielle anvendelsesværdi af C. thermocellum i lignocellulose-biokonvertering.

"Selvom de fysiologiske og evolutionære fordele ved de restriktive transportører stadig er ukendte, tyder disse resultater på, at konstruktion af sukkertransportører i C. thermocellum kunne være lettere end i arter med flere overflødige transportører," sagde Cui.

Forskerne sagde, at de planlægger at fortsætte arbejdet med at forstå bakteriens molekylære nøglemekanismer, som de vil bruge til at informere udviklingen af ​​bioenergi og syntetisk biologi teknologier. + Udforsk yderligere

Bakteriemembrantransporter hjælper patogener med at skjule sig for immunsystemet