谷氨酸棒状杆菌中TrpP与[Fe-S]簇形成及色氨酸生物合成的意外关联及其生产应用

编辑推荐：本研究针对谷氨酸棒状杆菌(C. glutamicum)中L-色氨酸生产受限的难题，通过解析假想转运蛋白TrpP的非转运功能，发现其通过调控SufR介导的[Fe-S]簇形成通路影响细胞代谢。研究结合适应性实验室进化(ALE)和代谢工程，使L-色氨酸产量提升近3倍，为氨基酸生产提供了新策略。

　　在微生物工业生产领域，谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum)作为"细胞工厂"已被广泛用于氨基酸生产。然而L-色氨酸——这个人类必需且生物合成耗能最高的氨基酸，其生产效率始终不尽如人意。更令人困惑的是，当研究人员尝试构建合成微生物群落时，发现缺失整个色氨酸合成操纵子(TRP)和假想转运蛋白基因trpP的工程菌株，即使在色氨酸充足条件下仍表现出35%的生长缺陷。这一反常现象揭开了本研究的序幕。

德国于利希研究中心生物技术研究所的Rico Zuchowski团队在《BMC Microbiology》发表的研究，通过系统性实验推翻了TrpP作为色氨酸转运蛋白的传统认知。研究首先通过生长表型分析确认生长缺陷仅与trpP缺失相关。令人意外的是，在色氨酸生产菌中，无论删除还是过表达trpP都能提高产量，这与其转运功能假说相矛盾。转录组分析揭示trpP缺失影响了含[4Fe-4S]簇的WhcA调控子。通过创新的适应性实验室进化(ALE)技术，研究者意外发现SufR（suf操纵子转录抑制因子）的失活可部分挽救ΔtrpP的生长缺陷。最终，将trpP缺失与sufR失活相结合，使L-色氨酸产量提升近3倍。

关键技术方法包括：构建TRP操纵子和trpP的精确缺失突变体；采用pPREx2系统进行基因互补和过表达；通过48孔板BioLector进行高通量表型分析；应用自动化微型工厂进行ALE进化实验；结合全基因组测序鉴定进化突变位点；使用定制DNA微阵列进行转录组分析；通过HPLC定量代谢产物。

研究结果部分：
背景与问题定位：通过比较WTΔTRPΔtrpP与单缺失菌株，确认生长缺陷仅由trpP缺失引起，与色氨酸营养缺陷无关。

TrpP功能重新定义：生物信息学显示TrpP仅含3个跨膜结构域（典型转运蛋白需12个），且与枯草芽孢杆菌信号转导蛋白SdpI同源。生产实验证明其过表达和缺失均能提高色氨酸产量，否定了转运功能假说。

全局转录调控网络：ΔtrpP导致ndnRnadACS（NAD合成）和gltBD（谷氨酸合成酶）等[Fe-S]簇相关基因表达异常，暗示铁硫代谢紊乱。

进化指导的机制解析：ALE获得的三株进化菌均出现sufR突变（L25P/R77G/Q193*），证实[Fe-S]簇组装系统sufBDCSUT的解除抑制可补偿trpP缺失表型。

生产应用突破：在工程菌WT TRP+++（含trpE^538R、trpD^A162E等突变）中，ΔtrpP使产量提升71%，而ΔtrpPΔsufR组合使产量增加3倍，同时显著降低副产物L-缬氨酸积累。

结论与意义：
本研究建立了TrpP-[Fe-S]簇-色氨酸合成的全新调控轴：①TrpP通过未知机制影响[Fe-S]簇可用性，其缺失会降低含[Fe-S]簇酶（如乌头酸酶）活性；②SufR失活可上调suf操纵子，部分恢复[Fe-S]簇供给；③该发现不仅解决了基础科学问题（修正了持续30年的TrpP功能误判），更创造了实用的生产策略。研究提出的"调控因子双敲除"方法，为其他氨基酸生产菌株改造提供了范式，同时揭示了原核生物中[Fe-S]簇代谢与芳香族氨基酸合成的深层关联。