谷氨酸棒狀桿菌高效發(fā)酵谷氨酸的關(guān)鍵分子機(jī)理研究進(jìn)展

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(1.蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050;2.中國科學(xué)院近代物理研究所,甘肅蘭州 730000;3.甘肅省微生物資源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730070)

谷氨酸是食物蛋白質(zhì)的重要組成,在營養(yǎng)代謝、能量供應(yīng)、免疫響應(yīng)、氧化應(yīng)激及信號通路調(diào)節(jié)等過程中發(fā)揮重要作用[1]。因此,谷氨酸作為一種重要氨基酸被廣泛應(yīng)用于食品、飼料、醫(yī)藥、化妝品等行業(yè)。谷氨酸是由α-酮戊二酸與游離氨在谷氨酸脫氫酶的催化下發(fā)生還原氨基化而形成。已經(jīng)證實(shí)大腸桿菌突變菌株(E.coli)及芽孢桿菌屬(Bacillus)、節(jié)桿菌屬(Arthrobacter)、鏈霉菌屬(Streptomyces)和棒狀桿菌屬(Corynebacterium)中有許多菌株能生產(chǎn)谷氨酸,其中谷氨酸棒狀桿菌是研究和應(yīng)用最多的谷氨酸生產(chǎn)菌[2]。

谷氨酸棒狀桿菌(Corynebacteriumglutamicum)是一種好氧型的、非致病革蘭氏陽性菌,它是一種重要的工業(yè)微生物,用來發(fā)酵生產(chǎn) L-谷氨酸,其它氨基酸及各種有機(jī)酸[2]。谷氨酸產(chǎn)生菌大多為生物素缺陷型,因此在谷氨酸發(fā)酵時(shí)通過控制生物素亞適量,引起代謝失調(diào),使谷氨酸得以積累[3]。在利用木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)物作為原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸時(shí)(如稻草、小麥秸稈、甘蔗渣),需要克服過量生物素對谷氨酸分泌產(chǎn)生的抑制作用,在發(fā)酵過程中適時(shí)適量添加吐溫40(Tween 40)或青霉素等誘導(dǎo)物可有效提高谷氨酸產(chǎn)量[4]。谷氨酸合成途徑包含大量復(fù)雜的酶反應(yīng),包括糖酵解途徑(glycolytic pathway,EMP)、磷酸己糖途徑(pentose phosphate pathway,PPP)、三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA)、乙醛酸循環(huán)(glyoxylic acid cycle,GAC)、伍德-沃克曼(Wood-Werkman cycle)反應(yīng)等。由于谷氨酸合成分解代謝途徑比較復(fù)雜,影響其合成和分解代謝的因素也會(huì)較多,對谷氨酸合成機(jī)理的研究造成了一定困難,一直以來在其合成代謝途徑中的酶、基因等許多因素的作用和功能不明確。

近年來隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展,分子生物學(xué)技術(shù)在谷氨酸研究領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,大量合成谷氨酸的新機(jī)理被不斷揭示,包括誘導(dǎo)物觸發(fā)谷氨酸的分泌都伴同α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合物(α-oxoglutarate dehydrogenase complex,ODHC)酶活的顯著降低與細(xì)胞膜通透性的增加,從而引起代謝流的方向變化并激活谷氨酸運(yùn)輸?shù)鞍?最終影響谷氨酸的合成。本文綜述了近年來有關(guān)谷氨酸合成與分泌機(jī)理的研究進(jìn)展,以期對未來開發(fā)微生物合成谷氨酸及其它生物產(chǎn)品提供參考和方向。

1 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控谷氨酸積累

1.1 中心代謝途徑相關(guān)酶轉(zhuǎn)錄水平

合成谷氨酸的代謝途徑至少有16步酶促反應(yīng),其中任意一個(gè)酶轉(zhuǎn)錄水平的變化都可能引起代謝流走向的改變,影響谷氨酸的合成。Hirasawa等[5]利用代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)研究發(fā)現(xiàn),在發(fā)酵途中添加青霉素后,10～360 min細(xì)胞內(nèi)含有的20種氨基酸的含量均下降,有四個(gè)可能與谷氨酸分泌相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄水平上調(diào),戊糖磷酸途徑相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄水平下調(diào),三羧酸循環(huán)與糖酵解途徑中有關(guān)葡萄糖轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸的基因轉(zhuǎn)錄水平上調(diào),α-酮戊二酸轉(zhuǎn)化為草酰乙酸的基因與補(bǔ)給途徑相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄水平下調(diào)。此外,NCgl1221與odhI分別編碼谷氨酸運(yùn)輸?shù)鞍着cODHC抑制蛋白,它們的轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明青霉素引起的細(xì)胞代謝變化和谷氨酸的分泌,是代謝途徑中相關(guān)酶的轉(zhuǎn)錄水平改變觸發(fā)的。曹艷[6]通過關(guān)鍵酶的轉(zhuǎn)錄水平分析,進(jìn)一步闡明轉(zhuǎn)錄水平與谷氨酸大量積累的內(nèi)在關(guān)系,生物素充足時(shí),添加Tween 40能夠提高胞內(nèi)催化所有的代謝途徑關(guān)鍵酶的轉(zhuǎn)錄水平,并誘導(dǎo)了細(xì)胞轉(zhuǎn)型使細(xì)胞膜(壁)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變、通透性增加。胞內(nèi)谷氨酸含量升高,運(yùn)輸?shù)鞍椎霓D(zhuǎn)錄水平也大幅提高促使谷氨酸分泌,最終使發(fā)酵液中谷氨酸濃度達(dá)到正常水平。Kataoka等[7]通過DNA芯片技術(shù)研究發(fā)現(xiàn),生物素限量、初始生物素過量在發(fā)酵途中添加青霉素或Tween 40,可以降低α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合物的活性,從而改變代謝流的流向使谷氨酸大量合成,該酶由α-酮戊二酸脫氫酶(α-ketoglutarate decarboxylase,E1)、二氫硫辛酰轉(zhuǎn)琥珀酰酶(dihydrolipoamide succinyltransferase,E2)和二氫硫辛酰脫氫酶(dihydrolipoamide dehydrogenase,E3)三種酶組成。α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合物酶活性降低是由編碼E1的基因odhA和E2的基因sucB轉(zhuǎn)錄水平下調(diào)所致。此外,還有5個(gè)目前未知功能的可能與谷氨酸大量合成相關(guān)的基因顯著上調(diào)(NCgl0917、NCgl2944、NCgl2945、NCgl2946和NCgl2975),涉及EMP、PPP和TCA途徑的大多數(shù)基因下調(diào),這些結(jié)果表明,谷氨酸的大量產(chǎn)生與細(xì)胞中已有的酶密切相關(guān)。

1.2 能量代謝及分支菌酸缺失株基因轉(zhuǎn)錄水平

細(xì)胞內(nèi)能量水平對糖代謝相關(guān)酶、ATP依賴型的運(yùn)輸系統(tǒng)有調(diào)控作用,因此,能量代謝可能會(huì)影響谷氨酸的合成與積累。Sekine等[8]發(fā)現(xiàn)一株帶有自發(fā)新霉素突變的谷氨酸棒狀桿菌,對葡萄糖的消耗比率較親本菌株高2倍,但其生長率比親本菌株低,且H+-ATPase 活性降低了25%。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在H+-ATPase 的γ亞基基因序列中有一個(gè)點(diǎn)突變。后經(jīng)發(fā)酵條件優(yōu)化,該菌株的谷氨酸產(chǎn)量提高一倍以上[9]。利用H+-ATPase基因失活構(gòu)建高產(chǎn)谷氨酸基因工程菌,證實(shí)了H+-ATPase基因失活對提高谷氨酸產(chǎn)量的作用[10]。Hirasawa等[5]在轉(zhuǎn)錄組測序的基礎(chǔ)上,通過差異基因功能富集分析,發(fā)現(xiàn)青霉素誘導(dǎo)谷氨酸分泌時(shí)與能量合成、轉(zhuǎn)換的相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄水平顯著下調(diào),編碼F1F0-ATPase的基因轉(zhuǎn)錄水平下調(diào)。以上結(jié)果表明,谷氨酸的大量分泌可能與細(xì)胞內(nèi)能量合成與轉(zhuǎn)化的基因轉(zhuǎn)錄水平下調(diào)有關(guān)系。

細(xì)胞壁對氨基酸的分泌具有滲透屏障的作用,同時(shí)分枝菌酸是谷氨酸棒狀桿菌細(xì)胞壁非常重要的組分。為了探究分枝菌酸的功能和分支菌酸缺失對細(xì)胞造成的影響,高云飛[11]構(gòu)建了C.glutamicumATCC13869的分枝菌酸缺失株,發(fā)現(xiàn)其合成和分泌谷氨酸的能力顯著提高;隨后通過轉(zhuǎn)錄組對比分析分枝菌酸缺失株和原始株,共獲得2692個(gè)差異表達(dá)基因,這些基因涉及細(xì)胞壁代謝、磷脂合成、脂肪酸合成與分解、肌醇代謝、細(xì)胞分裂、RNA降解等。因此,分枝菌酸可以作為潛在的改造靶點(diǎn)提高谷氨酸產(chǎn)量,同時(shí)說明分枝菌酸的缺失還對細(xì)胞的多方面造成了影響。

轉(zhuǎn)錄水平在促進(jìn)谷氨酸生產(chǎn)過程中起重要作用,優(yōu)化中心代謝途徑,抑制ODHC活力,使α-酮戊二酸氧化能力降低,還參與細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)的改變,使細(xì)胞膜的滲透性增強(qiáng),提高轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)量,最終誘導(dǎo)谷氨酸的高產(chǎn)。

2 關(guān)鍵酶酶活調(diào)控谷氨酸的合成

2.1 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的酶活調(diào)控

谷氨酸上游代謝途徑的中間產(chǎn)物檸檬酸,是三羧酸循環(huán)起始步驟中的草酰乙酸與乙酰-CoA通過碳原子之間的相互縮合而形成。因此這兩種化合物的平衡供應(yīng)對谷氨酸的高效生產(chǎn)非常重要。谷氨酸棒狀桿菌存在兩條回補(bǔ)途徑分別是:磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(phosphoenopyuvate carboxylase,PEPC)催化烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)化為草酰乙酸(oxaloacetic acid,OAA)和丙酮酸羧化酶(pyruvate carboxylase,PC)催化丙酮酸轉(zhuǎn)化為OAA。Tomokazu等在谷氨酸發(fā)酵過程中添加Tween 40后,發(fā)現(xiàn)發(fā)酵液開始大量積累谷氨酸,此時(shí)PC催化反應(yīng)途徑的流量顯著提高,PC活性顯著升高[12]。因此,在Tween 40誘導(dǎo)谷氨酸生產(chǎn)中,PC催化的反應(yīng)途徑對谷氨酸合成至關(guān)重要。生物素限量誘導(dǎo)谷氨酸分泌時(shí)敲除PEPC的編碼基因ppc會(huì)使谷氨酸棒狀桿菌失去產(chǎn)生谷氨酸的能力,而敲除PC的編碼基因pyc則不影響谷氨酸的合成。13C標(biāo)記的代謝流分析發(fā)現(xiàn)pyc敲除后補(bǔ)給途徑流量低于野生型,而過表達(dá)ppc則會(huì)提高pyc敲除和野生型補(bǔ)給途徑的流量。因此,在生物素限量誘導(dǎo)谷氨酸生產(chǎn)中,PEPC催化的反應(yīng)途徑是合成谷氨酸的必要途徑[13]。

PEPC是調(diào)節(jié)酶受產(chǎn)物和代謝中間物的反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制(如谷氨酸、天冬氨酸、2-酮戊二酸、蘋果酸),解除反饋?zhàn)饔媚軌蛟黾友a(bǔ)給途徑對OAA的補(bǔ)充[14-15]。PEPC中的單個(gè)氨基酸替換(D299N)能夠解除天冬氨酸對PEPC的抑制,使PEPC酶活提高,從而促進(jìn)谷氨酸合成[16]。敲除丙酮酸激酶基因(pyruvate kinase,PYK)后細(xì)胞糖耗加快而生長率降低,PEPC酶活提高而磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶酶活下降,同樣有助于谷氨酸的合成[17]。此外,在谷氨酸棒狀桿菌ATCC13032中敲除pyk并解除天冬氨酸對PEPC的反饋抑制,能協(xié)同提高谷氨酸的產(chǎn)量[18]。Mizuno等[19]發(fā)現(xiàn)谷氨酸大量合成時(shí)涉及EMP、TCA及其他代謝途徑的相關(guān)酶的琥珀?；潭让黠@升高,而乙?；潭让黠@降低,這可能是因?yàn)榇x物能夠調(diào)控酶的?；癄顟B(tài),使受到酰化修飾的酶的活性發(fā)生變化,從而調(diào)節(jié)谷氨酸合成。在Tween 40誘導(dǎo)的條件下,谷氨酸棒狀桿菌的磷酸烯醇丙酮酸羧化酶中有八個(gè)賴氨酸殘基發(fā)生乙酰化或琥珀?；揎?Nagano等[20]發(fā)現(xiàn)PEPC中K653殘基的乙?；揎棇劝彼岷铣芍陵P(guān)重要。K653的乙?；构劝彼岱置谒矫黠@降低(1 g/L),而非乙?；咏７置谒?15 g/L),對PEPC的催化效率指數(shù)(kcat/Km)進(jìn)行測定,發(fā)現(xiàn)乙酰化后的PEPC催化效率指數(shù)比野生型降低了90倍,這表明K653的乙?；诤艽蟪潭壬辖档土薖EPC的活性。NCgl0616編碼的一種去乙酰化酶,可以激活PEPC,其可能在谷氨酸合成過程中起激活PEPC的作用。這是因?yàn)镻EPC受到細(xì)胞內(nèi)大量積累的谷氨酸等產(chǎn)物和代謝中間物的反饋?zhàn)瓒艉鸵种?NCgl0616可以去乙酰化,提高PEPC的比活性,從而維持PEPC酶活,使代謝流繼續(xù)向著合成谷氨酸的方向進(jìn)行。

2.2 α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合物酶活調(diào)控

ODHC能夠催化谷氨酸的前體物質(zhì)α-酮戊二酸形成琥珀酰-CoA,因此,ODHC活性的降低,能夠改變代謝分布,使其集中流向谷氨酸合成方向,對谷氨酸的大量合成有重要作用。

研究表明,ODHC的酶活受OdhI的磷酸化狀態(tài)調(diào)節(jié),OdhI由含有兩個(gè)磷酸化位點(diǎn)(Thr14和Thr15)的N端和C端結(jié)構(gòu)域組成,蛋白激酶G(PknG)可以對OdhI進(jìn)行磷酸化,磷酸化的OdhI結(jié)構(gòu)發(fā)生改變并從OdhA上脫離下來,從而解除對ODHC的抑制,非磷酸化的OdhI通過C端FHA域與ODHA結(jié)合從而抑制ODHC的酶活,敲除pknG能夠提高谷氨酸的產(chǎn)量[21-22]。Kim等[23]用蛋白質(zhì)印跡法測定青霉素和Tween 40添加后谷氨酸生產(chǎn)階段的蛋白含量,發(fā)現(xiàn)未磷酸化的OdhI含量明顯高于磷酸化的OdhI,ODHC酶活測定表明,ODHC活性明顯降低[24],從而表明大量增加的未磷酸化的OdhI抑制了ODHC酶活。

ODHC存在多個(gè)賴氨酸位點(diǎn),易進(jìn)行乙酰化或琥珀酰化,可能會(huì)改變ODHC的活性[19]。進(jìn)一步研究表明,OdhI的FHA結(jié)構(gòu)域中兩個(gè)賴氨酸殘基Lys52和Lys132有乙?；顽牾；稽c(diǎn),Lys132的琥珀?；档蚈dhI對OdhA的親和力,從而減弱OdhI對ODHC的抑制作用,使谷氨酸的產(chǎn)量降低,而K132R(非?；蛔?能夠消除親和力的變化。Tween 40誘導(dǎo)的谷氨酸產(chǎn)生階段伴隨OdhI的琥珀?；揎?因此OdhI的琥珀?；赡軐劝彼岬暮铣善鹭?fù)調(diào)控作用[25]。以上結(jié)果表明,磷酸化和琥珀?；寄軌蛘{(diào)控谷氨酸的合成,可能通過這種酶活的調(diào)控方式,改變代謝流的分布,從而進(jìn)一步增加谷氨酸的合成。

3 谷氨酸分泌的影響因素

3.1 細(xì)胞膜和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)改變

細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)與功能方面的特異性變化是谷氨酸向胞外分泌的關(guān)鍵,對谷氨酸的大量分泌有重要影響。脂肪酸是細(xì)胞膜的重要組成部分,DtsR蛋白(乙酰輔酶A羧化酶)參與脂肪酸的合成[26]。生物素限量或添加Tween 40誘導(dǎo)谷氨酸產(chǎn)生時(shí)伴隨DtsR蛋白含量減少,因此推測谷氨酸的合成與DtsR含量密切相關(guān)[27]。Kimura等[28]將dtsR敲除后發(fā)現(xiàn)即使在生物素過量的情況下,不添加任何誘導(dǎo)物也能觀察到谷氨酸的分泌,過表達(dá)則會(huì)抑制分泌,同時(shí)生物素限量、添加Tween 40誘導(dǎo)或敲除dtsR基因都能引起ODHC酶活的降低。因此推論DtsR蛋白是通過影響ODHC活性間接影響谷氨酸合成途徑的。

谷氨酸棒狀桿菌細(xì)胞壁中含有大量分支菌酸,它是一類含60～90個(gè)碳原子的分支長鏈β-羥基脂肪酸。分支菌酸連接在由阿拉伯糖和半乳聚糖交替連接形成的雜多糖鏈上,并通過磷脂鍵與肽聚糖鏈相連接[29]。谷氨酸分泌時(shí)往往伴隨分支菌酸的減少,其原因可能是青霉素能夠抑制肽聚糖層的形成,而生物素限量和Tween 40抑制了脂肪酸的合成[30]?？傊?分支菌酸的缺損一方面使細(xì)胞膜(壁)通透性增加,另一方面使細(xì)胞內(nèi)滲透壓發(fā)生變化從而激活了谷氨酸運(yùn)輸?shù)鞍?促進(jìn)了谷氨酸的分泌。

3.2 膜蛋白

細(xì)胞膜(壁)結(jié)構(gòu)的改變和擁有谷氨酸運(yùn)輸載體是谷氨酸大量分泌不可欠缺的條件,谷氨酸的分泌是利用細(xì)胞膜上的運(yùn)輸?shù)鞍诪榻閷?dǎo)的運(yùn)輸過程[6]。目前多見報(bào)道的谷氨酸運(yùn)輸?shù)鞍子蠳Cgl1221和MscCG2編碼的細(xì)胞膜蛋白。

3.2.1 NCgl1221型運(yùn)輸?shù)鞍?研究表明谷氨酸主要運(yùn)輸?shù)鞍拙哂袡C(jī)械敏感通道蛋白活性,位于細(xì)胞質(zhì)膜上由NCgl1221編碼,有4個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域。谷氨酸通過該蛋白以被動(dòng)擴(kuò)散的方式穿過細(xì)胞膜[31-32],這一方式適應(yīng)于谷氨酸分泌這種較慢的運(yùn)輸過程,不適應(yīng)于響應(yīng)劇烈或損傷性的脅迫如滲透壓沖擊[33]。NCgl1221的N端(1～286)與E.coli的MscS型機(jī)械敏感通道高度同源,主要差異是NCgl1221有額外的長為247個(gè)氨基酸的C端,包括位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)域的287～401氨基酸,402～419氨基酸的跨膜螺旋與420～533氨基酸位于胞質(zhì)外結(jié)構(gòu)域[34]。生物素限量或Tween 40、青霉素誘導(dǎo)時(shí),NCgl1221缺失喪失了大量分泌谷氨酸的能力,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)谷氨酸大量積累,過表達(dá)則會(huì)增加谷氨酸分泌[32]。Yamashita等[34]通過構(gòu)建一系列截短的NCgl1221的C端和N端區(qū)域突變體及大腸桿菌MscS和谷氨酸棒狀桿菌MscCG的兩種蛋白質(zhì)的融合體,發(fā)現(xiàn)NCgl1221的N端是谷氨酸分泌的必要結(jié)構(gòu),用膜片鉗電生理技術(shù)也證實(shí)了N端的分泌作用。用3D同源建模的方法,發(fā)現(xiàn)NCgl1221的N端221～232位的氨基酸殘基形成一個(gè)回環(huán)形結(jié)構(gòu),敲除該回環(huán)結(jié)構(gòu)幾乎會(huì)失去分泌谷氨酸的能力,大多數(shù)MscS型蛋白不具有該結(jié)構(gòu),因此該結(jié)構(gòu)與谷氨酸的合成分泌密切相關(guān)。

NCgl1221的C末端截短(420～533)是一種獲得功能性突變,突變株可以在生物素過量而沒有誘導(dǎo)物(青霉素或Tween 40)添加時(shí)大量分泌谷氨酸。然而,當(dāng)過表達(dá)ODHC抑制蛋白OdhI時(shí),只有少量谷氨酸可以在生物素過量而沒有誘導(dǎo)物添加時(shí)分泌;敲除odhI的突變株在誘導(dǎo)時(shí)基本不分泌谷氨酸[35]。這些結(jié)果表明,NCgl1221調(diào)節(jié)谷氨酸分泌的作用優(yōu)先于OdhI。NCgl1221的不同激活狀態(tài)(如誘導(dǎo)物的不同)可能會(huì)影響ODHC酶活,ODHC酶活受OdhI調(diào)節(jié),對于OdhI與NCgl1221共同調(diào)節(jié)谷氨酸分泌的關(guān)系目前尚不清楚。此外,NCgl1221的C末端有降低通道激活閾值與減緩?fù)ǖ狸P(guān)閉的作用,而且C端對E.coli的MscS通道有正調(diào)控作用[36]。

3.2.2 MscCG2型運(yùn)輸?shù)鞍?誘導(dǎo)谷氨酸分泌過程中,NCgl1221缺失時(shí)仍可分泌少量谷氨酸;當(dāng)胞內(nèi)谷氨酸濃度低于胞外時(shí),也能觀察到谷氨酸的分泌。然而,NCgl1221中并沒有發(fā)現(xiàn)ATP結(jié)合位點(diǎn),因此在谷氨酸棒狀桿菌中除了NCgl1221系統(tǒng)外,可能還存在其他ATP依賴的谷氨酸運(yùn)輸系統(tǒng)或分泌通道[37-38]。Wang等[39]發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)能夠分泌谷氨酸的小電導(dǎo)機(jī)械敏感型離子通道MscCG2,它只存在于部分谷氨酸棒狀桿菌中,在生物素限量或青霉素誘導(dǎo)時(shí)才能被激活。MscCG2與MscCG具有較低的氨基酸序列同源性(23%),表明它們很可能具有不同的進(jìn)化起源。MscCG2分泌谷氨酸的能力弱于MscCG。研究中將MscCG2與綠色熒光蛋白進(jìn)行融合表達(dá),確定該蛋白位于細(xì)胞質(zhì)膜,其具有三個(gè)跨膜螺旋的N-末端區(qū)域位于細(xì)胞質(zhì)膜中,而C末端位于細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)?？傊?谷氨酸的分泌主要是通過細(xì)胞膜上的運(yùn)輸?shù)鞍淄瓿?誘導(dǎo)物能夠改變細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)從而激活運(yùn)輸?shù)鞍住Ｕ枪劝彼徇\(yùn)輸?shù)鞍拙哂械倪@種特殊結(jié)構(gòu),賦予了其能夠大量釋放細(xì)胞內(nèi)谷氨酸的能力。

4 結(jié)論與展望

谷氨酸的大量合成是由多因子協(xié)同作用的,基因表達(dá)調(diào)控與蛋白質(zhì)修飾作用在全局水平調(diào)控谷氨酸合成,關(guān)鍵酶酶活的改變促進(jìn)代謝流流向谷氨酸的合成方向,細(xì)胞膜(壁)結(jié)構(gòu)改變激活谷氨酸運(yùn)輸?shù)鞍?使谷氨酸得以大量分泌。盡管很多報(bào)道已經(jīng)證實(shí)轉(zhuǎn)錄水平能夠有效調(diào)控谷氨酸分泌,但相關(guān)誘導(dǎo)物調(diào)控轉(zhuǎn)錄機(jī)理以及谷氨酸大量分泌對細(xì)胞的生理作用未見報(bào)道。盡管谷氨酸棒狀桿菌的產(chǎn)酸能力伴隨著谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)發(fā)展獲得了很大的提高,但在高產(chǎn)谷氨酸棒狀桿菌基礎(chǔ)上進(jìn)行基因工程技術(shù)研究以提高谷氨酸產(chǎn)量和糖酸轉(zhuǎn)化率仍有相對難度。為更好的了解谷氨酸合成的分子機(jī)理,需要對蛋白質(zhì)翻譯后修飾及相互作用機(jī)理、誘導(dǎo)物對轉(zhuǎn)錄水平的相關(guān)調(diào)控機(jī)理、谷氨酸大量分泌對細(xì)胞的生理作用等進(jìn)行深入研究,并在基因組范疇分析谷氨酸合成機(jī)理。谷氨酸生物合成涉及復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),生物內(nèi)在因素和外界環(huán)境均可影響谷氨酸的合成,從分子的角度看,基因表達(dá)水平與蛋白質(zhì)修飾均能夠整體調(diào)控合成網(wǎng)絡(luò),其中的刺激因子和抑制因子還有待于深入研究。通過對相關(guān)機(jī)理的研究,為改造生物產(chǎn)品生產(chǎn)菌提供理論基礎(chǔ),從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的最大積累,滿足我國對微生物產(chǎn)品的不斷需求。