谷氨酸棒杆菌MtrAB双组分系统通过细胞壁重塑增强蛋白质和谷氨酸外排的机制研究

本研究针对谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)细胞壁结构限制生物分子外排的瓶颈问题，通过工程化改造MtrAB双组分系统(TCS)，结合肌醇沉默系统动态调控细胞壁生物合成，显著提升了重组蛋白分泌效率（LCC-A2酶活提高2.58倍）和谷氨酸外排。研究揭示了细胞壁肽酶通过调控细胞壁重塑增强通透性的分子机制，为构建高效微生物细胞工厂提供了新策略。

　　

微生物细胞工厂在生物制造领域具有重要应用价值，但细胞壁结构形成的渗透屏障严重限制了目标产物的外排效率。谷氨酸棒杆菌作为经典的氨基酸生产菌株，其独特的细胞壁结构由肽聚糖(PG)、阿拉伯半乳聚糖(AG)和分枝菌酸(MA)组成，这种复杂结构在提供保护的同时也成为了生物分子分泌的"天然路障"。尽管已有研究尝试通过改造细胞膜组成来改善分泌性能，但往往导致细胞膜完整性受损，引发细胞裂解和胞内蛋白泄漏等问题。相比之下，针对细胞壁的工程化改造更具应用潜力，但关于细胞壁生物合成如何影响不同生物分子外排的系统性研究仍属空白。

针对这一科学问题，中国国家自然科学基金委和河南省重点研发计划资助的研究团队，以高度保守的MtrAB双组分系统(TCS)为切入点开展研究。该调控系统在放线菌中普遍参与细胞壁稳态维持，能直接控制谷氨酸棒杆菌细胞壁合成相关基因的表达。研究人员创新性地采用肌醇(MI)诱导的沉默系统动态调控mtrAB表达，通过透射电镜(TEM)、蛋白质组学、逆向工程等手段系统解析了细胞壁改造对蛋白质分泌和谷氨酸外排的影响机制。相关成果发表在《Bioresource Technology》期刊。

关键技术方法包括：1) 构建肌醇沉默系统实现mtrAB的动态调控；2) 使用inositol-catabolism缺陷型菌株避免诱导剂消耗；3) 通过fed-batch发酵评估LCC-A2变体酶活；4) 结合蛋白质组学和生化分析鉴定关键细胞壁肽酶；5) 采用TEM和细胞壁组分分析表征结构变化。

【Regulation of the MtrAB two-component system to enhance α-amylase secretion by inositol-silencing system】
研究发现删除mtrAB会显著影响细胞生长，而通过肌醇沉默系统动态调控可有效缓解这一缺陷。在优化后的系统中，α-淀粉酶(αAL)的分泌效率显著提升，且该策略在不同培养基、宿主背景和异源蛋白表达场景下均表现出稳健性。

【Conclusions】
研究证实MtrAB TCS通过调控细胞壁肽酶活性影响细胞壁重塑过程。工程化改造后的菌株在fed-batch发酵中使LCC-A2酶活提高2.58倍，同时增强了蛋白表面展示和谷氨酸外排效率。蛋白质组学和逆向工程分析表明，细胞壁肽酶通过调节肽聚糖交联程度改变细胞壁通透性，从而促进生物分子跨膜转运。

该研究的重要意义在于：1) 首次系统阐明了MtrAB TCS通过细胞壁重塑影响生物分子外排的分子机制；2) 开发的肌醇沉默调控策略解决了细胞生长与产物合成的矛盾；3) 为理性设计高效微生物细胞工厂提供了新靶点和通用方法。这些发现不仅对谷氨酸棒杆菌的工业应用具有直接指导价值，也为其他放线菌的代谢工程改造提供了重要参考。