近日，我校校长白仲虎教授领导的科研团队在国际权威期刊《Bioresource Technology》（中科院一区top期刊，IF=9.0）上发表最新的研究成果“Engineering MtrAB two-component system enhances protein and glutamate export inCorynebacterium glutamicumthrough cell wall remodeling”,本研究以谷氨酸棒杆菌中的MtrAB双组份系统为模式靶点，并引入肌醇沉默系统动态调控mtrAB的表达提高了多种重组蛋白的分泌和表面展示以及谷氨酸外排。此外，该团队进一步利用蛋白组学、反向工程、生化分析和细胞壁结构分析的手段，深入解析了细胞壁重塑对蛋白和氨基酸外排的影响，为构建超级分泌型谷氨酸棒杆菌细胞工厂提供了新策略与机制基础。
C. glutamicum作为传统的工业微生物，在过去的六十多年里一直是氨基酸生产的底盘细胞。除此之外，由于其公认安全（Generally Recognized As Safe, GRAS）的特性以及较低的胞外蛋白酶活性，已成为重组蛋白生产极具吸引力宿主细胞。C. glutamicum具有一种非典型的细胞膜壁结构：其细胞质膜外围包裹着由肽聚糖构成的细胞壁核心层，该肽聚糖通过共价键连接阿拉伯半乳聚糖，而阿拉伯半乳聚糖又通过共价键连接一个由分枝菌酸组成的外层。这种独特的细胞膜壁结构为生物技术应用开辟了新的机遇。近年来，已有少量研究报道通过扰动参与细胞壁和分枝菌酸层生物合成的基因来增强特定的产物分泌。然而，工程化细胞壁合成途径是否对不同产物如蛋白和氨基酸合成的改善具有普适性仍有待研究。MtrAB双组份系统作为高度保守的双组分系统，在放线菌中扮演着调控细胞壁稳态的重要角色。在C. glutamicum中MtrAB双组分系统已被证明直接控制参与细胞壁生物合成的基因，这使其成为研究干扰细胞壁合成途径与重组蛋白分泌之间联系的模式靶点。然而，细胞壁生物合成与细胞生长紧密关联，如何平衡细胞生长和产物生产的关系对实现微生物细胞工厂的高效制造至关重要。最近，基于肌醇磷酸合酶Ino1的启动子Pino开发了肌醇沉默系统。尽管该系统已被证明在研究C. glutamicum必需基因功能中有效，但其在合成生物学应用中仍未得到探索。
针对上述问题，本研究团队通过基因工程手段改造了谷氨酸棒状杆菌中的MtrAB双组分系统，旨在探究细胞壁生物合成与蛋白质及谷氨酸外排之间的关系。为减轻mtrAB基因缺失对细胞适应性造成的不利影响，通过采用了肌醇沉默系统对mtrAB的表达进行动态调控。实验结果表明，抑制MtrAB双组份系统的活性不仅显著提高了融合有不同信号肽的α-淀粉酶的产量，而且在多种应用场景下均展现出提升蛋白质产量的强大能力，这些场景包括：不同培养基、具有不同细胞膜壁结构的宿主菌株，以及不同的异源蛋白。此外，通过优化肌醇沉默系统，在缺乏肌醇降解途径的菌株中实现了更优的性能。本研究还将所构建的工程菌株应用于改善蛋白表面展示和谷氨酸外排。最终，联合多种实验手段揭示了细胞壁肽酶在改善蛋白质和谷氨酸跨细胞膜壁外排中的关键作用，其机制在于通过重塑细胞壁以增强细胞壁通透性。简而言之，这些发现为增强谷氨酸棒状杆菌中蛋白质和谷氨酸的外排提供了一种普适性策略。
该研究工作得到了国家自然科学基金（22378167）和河南省重点研发计划（251111310300）的资助。
