木质纤维素原料是世界上最为丰富的资源之一，可作为微生物发酵原料，用于生产生物燃料、生物基化学品等高附加值产品。相比于传统的生物质原料，木质纤维素更加“顽固”，难以高效利用。
热纤梭菌（Clostridium thermocellum）是一种嗜热厌氧细菌，能够高效降解木质纤维素类生物质。它通过分泌一种多酶复合体——纤维小体——将木质纤维素中的多糖水解为以纤维寡糖为主的可溶性糖，进而将其摄入胞内为细胞提供碳源和能量。
若要开发热纤梭菌作为木质纤维素生物精炼工厂，必须明确它的糖摄取机制，破译关键的糖转运蛋白。糖类转运蛋白是工业微生物进行代谢工程改造和合成生物学开发的重要靶点。
近期，中科院青岛生物能源与过程研究所的研究团队通过结合体内和体外实验，阐明了热纤梭菌中负责纤维寡糖和葡萄糖摄取的转运蛋白及其结构分子机制。相关成果以题“”发表在 mBio 上。研究员和研究员为文章的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、山东能源研究院、中科院、青岛市等多个基金项目的支持。
（来源：mBio）
实际上，早在 2009 年，以色列研究人员就在热纤梭菌基因组中发现了 5 个糖转运蛋白基因簇，推测它们可能负责纤维寡糖、葡萄糖和昆布二糖的转运。但由于热纤梭菌中的遗传操作较为困难，并未完成功能验证，它的糖类摄取机制也就一直未明确。
▲图丨热纤梭菌中糖 ATP 结合盒 (ABC) 转运蛋白的遗传结构示意图（来源：mBio）
针对这种情况，团队开发了多种能够在热纤梭菌中进行基因操作的工具。这些工具包括细胞电穿孔仪、嗜热细菌的快速基因敲除技术（Thermotargetron 技术）和精确的基因组编辑系统。基于此，研究人员能够分析哪些基因在细菌中产生了哪些物理和功能变化。
在研究过程中，研究人员首次应用遗传操作和生物物理滴定相结合的实验破译了关键的葡萄糖和纤维寡糖转运蛋白。具体来说，团队首先构建了 5 个待验证的糖转运蛋白基因簇的敲除和回补突变株，通过生长表型实验分别确定了转运蛋白 B 是唯一的纤维寡糖转运蛋白，而转运蛋白 A 是唯一的葡萄糖转运蛋白。这与其他微生物那样使用多种转运体来收集和移动糖类是不同的。
为了深入了解转运蛋白特异性的结构机制，研究人员解析了所有 5 个假定的糖结合蛋白的 11 个晶体结构，包括单独的和与适当的糖结合的晶体结构，阐明了蛋白质和相应的糖之间详细的的特异性相互作用。
研究人员还确定了一个分离的基因 2554 是转运蛋白 B 基因簇中缺失的 ATP 酶亚基基因。这一发现解释了转运蛋白 B 的机制如何帮助利用木质纤维素生物质。
▲图丨Clo1313_2554 作为转运蛋白 B 的 ATP 酶亚基的功能（来源：mBio）
此外，研究证明了转运蛋白 B 与纤维素小体的表达调控相结合，纤维素小体是负责通过降解植物细胞壁产生糖的蛋白质复合物。这一发现扩展了该领域的先前研究，表明纤维小体表达受一组具有底物感应和转录活性的 sigma/anti-sigma 因子调节，同时还与糖转运有关。然而研究人员并未完全阐明这种糖转运蛋白-纤维素小体偶联的潜在机制。
总的来说，研究结果进一步表明热纤梭菌在木质纤维素生物转化中具有巨大的潜在应用价值。尽管限制性转运蛋白的生理和进化益处仍然未知，但在热纤梭菌中设计糖转运蛋白可能比在具有多个冗余转运蛋白的物种中更容易。揭示热纤梭菌的糖摄取机制也将有助于为工业应用的菌株工程铺平道路。
研究人员表示，他们计划继续探究这种细菌的关键分子机制，将利用这些机制为生物能源和合成生物学技术的发展提供信息。
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