Glucose-xylose co-utilization and lactate production with engineered thermophilic Parageobacillus thermoglucosidasius
本研究表明，通过将 *ptsG* 和 *rbsR* 基因的反向工程与木糖代谢操纵子在嗜热细菌 *Parageobacillus thermoglucosidasius* 中的理性过表达相结合，有效地克服了碳代谢物阻遏，实现了高效的葡萄糖-木糖共利用，并显著提高了生物反应器发酵过程中的乳酸产量。
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想象一个这样的世界：我们工厂的燃料不再来自玉米或甘蔗等粮食作物，而是来自植物坚韧的纤维废料：小麦的秸秆、稻壳以及伐木剩下的木屑。这种被称为木质纤维素的材料含量丰富，且不会与我们的粮食供应竞争，使其成为制造可持续塑料和化学品的理想资源。然而，将这些坚韧的植物物质转化为有用的产品却非常困难。当科学家分解这些纤维时，会释放出两种主要糖类的混合物：葡萄糖和木糖。虽然许多微生物可以轻松摄取葡萄糖，但它们往往会忽略木糖，直到葡萄糖消耗殆尽后才开始食用第二种糖。这种“等待游戏”减慢了生产速度并浪费了时间。为了解决这个问题，研究人员正在寻找能够同时摄取这两种糖的微生物，特别是那些能在植物纤维分解效率最高的炎热环境中茁壮成长的微生物。
一支研究团队致力于通过改造一种名为 Parageobacillus thermoglucosidasius 的嗜热细菌，来克服这种进食偏好。这种微生物本身就是工业应用的有力竞争者，因为它在 60 到 65 摄氏度之间的温度下生长得最好，这正好符合分解植物纤维所需的温度。科学家们希望重新编写其内部指令，使其能够同时消耗葡萄糖和木糖，而不是一个接一个地消耗。他们首先研究了之前的一个实验，在那个实验中，细菌在被迫的情况下自然进化出了同时食用两种糖的能力。通过研究这些进化后的细菌中的遗传变化，团队识别出了两个似乎导致这种新行为的特定突变。其中一个突变改变了一种帮助细胞抓取葡萄糖的蛋白质，另一个则移除了一个通常会阻止细胞制造其他糖类转运蛋白的遗传“刹车”。
研究人员将这些精确的变化构建到标准版本的细菌中，以观察是否能重现这种改良后的行为。他们创建了三种新的菌株：一种具有改变后的葡萄糖抓取蛋白，一种具有移除的刹车，以及一种结合了这两项变化的菌株。他们还尝试了另一种方法，即强迫细菌不断产生摄取木糖所需的机制，无论是否存在其他糖类。当他们在受控环境中测试这些新菌株时，结果显示遗传变化确实起到了作用，但作用方式各不相同。带有改变后的葡萄糖蛋白的菌株以相似的速度摄取两种糖。带有移除刹车的菌株也同时摄取两种糖，尽管其整体生长速度较慢。而结合了两种变化的菌株表现得令人惊讶，它实际上更偏好木糖而非葡萄糖，这完全逆转了正常的顺序。
为了理解这些变化是如何发生的，团队观察了细胞内部的蛋白质生成情况。他们发现，这些突变导致细菌停止抑制摄取木糖的基因，从而允许细胞在葡萄糖仍然存在时，也能产生摄取木糖所需的工具。显示出移除刹车的菌株中，负责抓取葡萄糖的蛋白质显著下降，这可能减缓了对该糖的摄取速度，从而让木糖得以同时被摄取。研究人员还测试了这些细菌如何利用这两种糖的混合物生产乳酸（一种用于制造生物降解塑料的化学品）。这些工程菌株的表现优于原始的、未经修改的细菌。带有移除刹车的菌株产生的乳酸相对于其消耗的糖的产量最高，达到了 72.76%，而原始菌株的产量为 56.76%。另一个被强迫不断产生木糖摄取机制的菌株也表现出了强劲的结果，产量达到 63%。
这项研究表明，虽然仅仅强迫细菌产生更多的木糖摄取工具有所帮助，但让细菌同时摄取这两种糖最有效的方法是改变它们感知和消耗葡萄糖的方式。通过减慢首选糖类的摄入速度，细菌能够更早地接触到第二种糖。这种方法让团队能够创造出一种在处理植物废料方面效率更高的微生物工厂。研究结果表明，通过对细菌的遗传代码进行微小且特定的改变，是有可能释放植物基原料的全部潜力的，从而将复杂的糖类混合物转化为有价值的产品，而不会受到由细菌自然进食习惯导致的长期延迟的影响。这项工作为改进我们如何利用可再生资源来构建未来的材料提供了一条清晰的路径。
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