单核苷酸变异决定费氏丙酸杆菌（Propionibacterium freudenreichii）L-乳酸代谢能力的开关机制及其在瑞士奶酪成熟中的应用

这篇研究通过全基因组测序和适应性实验室进化（ALE）技术，揭示了费氏丙酸杆菌（P. freudenreichii）中lutABC操纵子（特别是lutB基因的单核苷酸变异T1249C）对L-乳酸代谢的关键调控作用，颠覆了传统乳酸脱氢酶（LDH）主导氧化的理论。研究不仅为工业菌株筛选和代谢工程提供了新靶点，还开发出L-乳酸代谢缺陷菌株作为奶酪成熟培养物的潜在应用，可减少CO2 导致的奶酪缺陷。

　　

ABSTRACT

费氏丙酸杆菌（P. freudenreichii）是瑞士奶酪成熟的关键菌种，其乳酸代谢能力直接影响风味形成和孔洞发育。传统理论认为乳酸脱氢酶（LDH）催化乳酸氧化，但本研究通过全基因组测序发现，两株L-乳酸代谢缺陷菌株（FAM-3974和FAM-3981）的lutB基因存在T1249C变异，导致第417位氨基酸由精氨酸变为半胱氨酸。AlphaFold 3预测显示，该突变破坏了蛋白质氢键网络，可能影响其氧化还原功能。

INTRODUCTION

费氏丙酸杆菌在奶酪成熟中将乳酸转化为丙酸、乙酸和CO₂
，但遗传机制尚不明确。本研究以工业菌株FAM-14222为参考基因组，通过比较基因组学锁定lutABC操纵子——该操纵子包含L-乳酸通透酶和铁硫氧化还原酶（lutB），与Shewanella oneidensis等菌的乳酸代谢通路高度同源。

MATERIALS AND METHODS

模型奶酪实验：L-乳酸缺陷菌株在240天成熟期内仅代谢D-乳酸，而野生型（Prop 01）60天内耗尽L-乳酸（P=0.004965）。
ALE实验：在L-乳酸培养基中连续传代28天后，突变株恢复代谢能力，且lutB基因均逆转为野生型（C1249）。无乳酸对照组则无此现象，证实选择压力必要性。
结构分析：突变型lutB蛋白因半胱氨酸417缺失氢键，可能影响其与邻近环（含Pro390-Cys393）的稳定性。

RESULTS

1. 表型验证：奶酪模型中，缺陷菌株的L-乳酸残留量显著高于野生型（P<0.05）。
2. 基因变异：两缺陷菌株共享48个非同义突变，但仅lutB变异（T1249C）与表型直接相关。
3. 进化重现：ALE实验中，所有恢复L-乳酸代谢的菌株均携带C1249，且代谢效率与野生型无差异。

DISCUSSION

本研究首次将lutABC操纵子与P. freudenreichii的L-乳酸代谢关联：

• 应用价值：L-乳酸缺陷菌株可减少奶酪CO₂
  产量，避免裂纹缺陷，同时保留D-乳酸代谢带来的风味物质（如异戊酸）。
• 理论突破：推翻LDH主导假说，提出铁硫簇依赖的氧化还原新机制。
• 遗留问题：D-乳酸代谢通路仍待解析，且需通过基因敲除进一步验证lutB必要性。

CONCLUSIONS

lutB基因的单核苷酸变异是P. freudenreichii乳酸代谢能力的分子开关，为定向改造工业菌株提供了精准靶点。未来研究可探索该操纵子在益生菌（如短链脂肪酸生产）和维生素B₁₂
合成中的潜在作用。