提高大肠杆菌耐受性以增长D乳酸生产能力方面获进展

　　近期，江南大学生物工程学院陈坚院士课题组张娟教授团队在提高大肠杆菌耐受性以增长D-乳酸生产能力方面取得重要进展，研究成果“[NiFe] Hydrogenase Accessory Proteins HypB?HypC Accelerate Proton Conversion to Enhance the Acid Resistance and D‑Lactic Acid Production ofEscherichia coli”正式发表于ACS Synthetic Biology（IF = 5.11） （https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssynbio.1c00599）。江南大学2017级博士研究生杨谨华为第一作者，堵国成教授和张娟教授为论文的通讯作者。

　　大肠杆菌因其具有发酵周期短、能量需求量小等优势，是D-乳酸的主要工业生产菌株。然而，D-乳酸这一酸性代谢物的积累会导致环境的pH值迅速下降，破坏细胞内的平衡。为了对抗这种不利的生存环境，细胞会分配更多的能量来调节抗酸功能因子的表达和诱导蛋白的表达，这将导致细胞的生理活性和生产能力显著下降。目前，添加中和剂是常用的解决方案，但该法会增加细胞的渗透压胁迫，并增加生产成本，且较高的pH值将提升D-乳酸在未解离状态下的回收难度。显然，提高大肠杆菌的耐酸能力是提高细胞性能和生产价值的关键，但部分蛋白质生理功能的缺失或强化可能会破坏生产菌株中已经优化的代谢途径。

　　张娟教授团队针对目前平衡细胞耐受性和生产能力的问题，借助组学研究和系统生物学工具，研究了耐酸性表型的触发机制，即获得提高D-乳酸耐受性同时不影响细胞正常代谢的有效元素。耐酸适应性进化菌株的转录组检测表明，在[NiFe]氢化酶成熟过程中，过表达编码附属蛋白的基因HypB和HypC可以大大提高大肠杆菌在D-乳酸致死胁迫下的生存能力。[NiFe]氢化酶附属蛋白HypB和HypC是一类可以协助氢化酶催化质子还原生成氢的耐酸因子。在D-乳酸致死胁迫下，加强HypB和HypC的表达可使细胞存活率提高336.3倍。此外，HypB和HypC可以帮助D-乳酸生产菌在酸性发酵环境中表现出更高的可持续生产力，D-乳酸滴度将提高113.6%。为了进一步完善氢化酶附属蛋白的表达体系，本研究引入强酸驱动型启动子tdcAp，在保持D-乳酸最大强度生产的同时，可将发酵过程中的中和剂需求降低约26.7%。最终，该工程菌在低pH条件下显著提高了D-乳酸的生产能力和葡萄糖的利用率，并减少了中和剂的使用。这是首次报道氢化酶附属蛋白能够增强大肠杆菌对D -乳酸的耐酸性的研究，基于氢化酶系统的共性，该研究可为提高菌株在有机酸生产中的耐酸性提供参考。