林章凜教授課題組進(jìn)化DsrA小分子RNA與其伴侶蛋白讓大腸桿菌更耐酸
在生物發(fā)酵過程中，酸性發(fā)酵產(chǎn)物或副產(chǎn)物的積累會降低發(fā)酵液pH，導(dǎo)致發(fā)酵菌受到酸脅迫而細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)變化、蛋白（酶）變性和DNA損傷，繼而使菌株的生長和生產(chǎn)受到抑制。盡管添加堿可中和發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酸以減緩細(xì)胞受到酸脅迫，但堿的添加又會引起諸如分離成本升高、廢水排放量增加的問題。因此，相比添加堿性物質(zhì)維持中性pH的傳統(tǒng)做法，提升微生物自身的抗酸性能是一種更有效，更具成本效益的應(yīng)對酸脅迫解決方案，也是發(fā)酵產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排，過程綠色化的關(guān)鍵策略之一。?
近日，華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院林章凜、楊曉鋒課題組在Applied and Environmental Microbiology雜志上發(fā)表文章“Engineering of the sRNA DsrA together with the sRNA chaperone Hfq enhances the acid tolerance of E. coli”。研究發(fā)現(xiàn)非編碼小分子RNA（sRNA）DsrA與其伴侶蛋白Hfq同時過表達(dá)，能顯著提高細(xì)胞對低pH環(huán)境的耐受能力（DsrA-Hfq結(jié)合后可激活大腸桿菌內(nèi)部對應(yīng)的應(yīng)激反應(yīng)σS因子），可在中度酸（pH=4.5）的培養(yǎng)條件下維持細(xì)胞的生長活力。DsrA-Hfq模塊的定向進(jìn)化進(jìn)一步提高了菌株的酸耐受性，與起始菌株MG1655相比，抗酸能力最強(qiáng)突變體在pH 4.5時生長性能提高了51％-72％。
研究通過表達(dá)分析了DsrA，RprA和ArcZ三種sRNA對大腸桿菌耐酸的影響，發(fā)現(xiàn)DsrA與其伴侶蛋白Hfq同時過表達(dá)能顯著提升細(xì)胞在中度酸（pH=4.5）條件下的最大OD值。基于CRISPR/Cas9和易錯PCR在基因上進(jìn)化DsrA-Hfq，篩選出了6個顯著提高生長性能的突變株，其中效果最好的突變株在pH=4.5的條件下生長性能相比原始菌株提升了72%。隨后的轉(zhuǎn)錄分析與生化分析發(fā)現(xiàn)，在耐酸表現(xiàn)最好的兩株工程菌中，σS因子的表達(dá)時間提前、表達(dá)水平提高；質(zhì)子消耗系統(tǒng)、蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)和活性氧自由基清除系統(tǒng)對應(yīng)的五個基因（gadE，gadB，ybaS，hdeB 和katE）的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)的時間和水平也具有類似的變化。研究提示了DsrA-Hfq模塊通過激活σS因子，進(jìn)而強(qiáng)化了相關(guān)的三個應(yīng)對酸脅迫的關(guān)鍵系統(tǒng)以提高細(xì)胞的抗酸性能。
該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“合成生物學(xué)”專項(xiàng)（2018YFA0901000）等項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：https://aem.asm.org/content/early/2021/03/02/AEM.02923-20
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