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氮代谢调控子GlnR对希氏乳杆菌耐酸性的调控机制及γ-氨基丁酸合成的影响

批准号:
32101905
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
宫璐婵
依托单位:
学科分类:
食品微生物学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
宫璐婵

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
乳酸菌在其生态位与工业发酵过程中常遭受多种环境压力胁迫,包括温度,渗透压,醇,酸等。酸胁迫可引起细胞失活及发酵产物产量降低。谷氨酸脱羧酶(GAD)系统对乳酸菌抵抗酸胁迫有重要作用。前期研究发现,氮代谢调控子GlnR直接负调控短乳杆菌的耐酸性,抑制其γ-氨基丁酸(GABA)的合成。而GABA支路作为GABA的分解途径,GlnR对于同时含有GAD系统与GABA支路的乳杆菌的耐酸性的调控机制与作用是不清楚的。本研究以具有GABA支路的希氏乳杆菌为研究对象,通过基因组学、转录分析等,探究GAD系统与GABA支路对菌株耐酸性的影响;采用基因敲除与回补,转录组学,基因蛋白互作等技术,研究GlnR对菌株耐酸性的调控机制,进一步通过全局改造菌株,以期提高突变菌株的耐酸性与GABA合成能力,为深入阐明氮代谢调控子GlnR对乳杆菌的调控机制提供理论支持,同时为希氏乳杆菌的工业化应用提供技术指导。
英文摘要
Lactic acid bacteria are often encounter a variety of environmental stresses in their niche and industrial fermentation process. These stresses include temperature, osmotic stress, alcohol, and acid. Acid stress can cause cell inactivation and product yield loss. The glutamate decarboxylase (GAD) system is vital for lactic acid bacteria. Previous studies have found that the nitrogen metabolism regulator GlnR negatively regulates the acid resistance and inhibits the synthesis of γ-aminobutyric acid (GABA) in Lactobacillus brevis. However, the GABA pathway is the decomposition pathway of GABA, the regulatory mechanism and effect of GlnR on the acid resistance in GABA pathway- containing Lactobacilli is unclear. In this study, GABA-producing L. hilgardii is used as the research object. The effect of GAD system and GABA pathway on the acid resistance is explored through genomics and transcription analysis. The regulatory mechanism of GlnR on the GAD system and GABA pathway is explained in L. hilgardii by gene knockout and complementation, transcriptomic, and gene protein interaction technologies. To improve the acid resistance and GABA synthesis ability of mutant strains, the global modification is implemented. These results reveal GlnR regulatory mechanism in Lactobacilli and provide technical guidance for the industrial application of L. hilgardii.
本项目以希氏乳杆菌作为研究对象,针对其氮代谢调控子GlnR介导的谷氨酸脱羧酶(GAD)系统的调控机制不明确,GABA支路对菌株耐酸性的影响及含有GABA支路的菌株中GlnR对耐酸性的调控机制不清晰等问题展开。项目旨在建立希氏乳杆菌的遗传操作系统,解析GAD系统与GABA支路对耐酸性的作用,并通过组学和基因转录等技术明确GlnR对希氏乳杆菌耐酸性的调控机制,进而建立希氏乳杆菌高效合成GABA的能力。通过基因组测序,确定希氏乳杆菌GAD系统,包括TetR/AcrR family transcriptional regulator-潜在GadR调控子、谷氨酸/GABA反转运蛋白与GAD,GABA支路包括SSADH与GABA AT,及氮代谢调控子HTH-type GlnR。测定希氏乳杆菌的生理表型及其对酸、胆盐、酚、渗透压以及模拟胃肠液下的存活能力,证明该菌株具有良好的益生潜能。利用CRISPR Cas9系统结合同源重组技术,建立希氏乳杆菌的遗传操作系统,构建gadR,gabaAT,glnR的敲除与回补菌株。通过菌株生长、GABA产生、耐酸性、基因表达及凝胶迁移电泳实验,证明GAD系统是希氏乳杆菌的主要耐酸系统,潜在GadR调控子正向调控GAD系统,增强菌株的耐酸性及GABA合成能力。GABA支路参与分解GABA,但不参与菌株的GABA合成及耐酸性的调控。GlnR通过直接结合gadR与gadCB的非编码区,充当GAD系统负调控子,调节耐酸性及GABA合成,但不直接参与GABA支路对GABA代谢的调控。转录分析揭示GlnR是希氏乳杆菌的全局调控子,在碳源代谢、跨膜转运、氮源代谢、辅酶与维生素代谢及能量代谢中发挥作用。基于GlnR的调控机制,以乳酸为酸调节剂,建立希氏乳杆菌分批补料、连续流加发酵策略,使菌株能生产安全GABA,发酵产量最高达245 g/L。此外建立蚕蛹粉替代蛋白胨耦联葡萄糖自动控制pH发酵新技术,有效降低GABA生产成本。同时阐明了GAD的功能,建立曲拉通增强全细胞催化法,12 h内GABA积累达621 g/L,生产效率为52 g/L/h。研究结果阐明了GlnR对含GABA支路的希氏乳杆菌的耐酸机制,建立了菌株高效合成GABA的策略,为希氏乳杆菌在益生菌及GABA的工业化生产中的应用奠定了基础。
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