热纤梭菌HtrA1蛋白缺失增强纤维小体表达的机制研究及其在生物质转化中的应用

为解决纤维小体(Cellulosome)在生物炼制中表达量不足的难题，研究人员通过敲除热纤梭菌(Clostridium thermocellum)的膜锚定丝氨酸蛋白酶基因htrA1，显著提升了纤维小体产量且不影响其比活性和细胞生长。该研究揭示了HtrA1对纤维小体的翻译后调控作用，为木质纤维素生物转化提供了新型全细胞催化剂改造策略。

　　

木质纤维素作为地球上最丰富的可再生生物能源，其高效转化是解决能源危机的关键。热纤梭菌(Clostridium thermocellum)因其分泌的纤维小体(Cellulosome)——一种由支架蛋白(Scaffoldin)和催化酶通过黏附素-对接素(Cohesin-Dockerin)相互作用形成的多酶复合体，成为生物质转化的明星菌株。然而，纤维小体复杂的组成和调控机制使其工业化应用面临产量瓶颈。传统研究多聚焦于转录调控层面，如σ-抗σ因子SigI-RsgI系统，但对翻译后调控知之甚少。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所的研究团队意外发现，敲除编码膜锚定丝氨酸蛋白酶HtrA1的基因可显著提升纤维小体产量。通过构建ΔhtrA1突变株，研究人员系统分析了菌株生长、胞外蛋白组成、纤维小体活性等表型特征，证实该突变在维持细胞正常生长的前提下，使主要纤维小体组分表达量提升2-3倍，纤维素糖化效率提高40%。这项发表于《Bioresource Technology》的研究，首次揭示了HtrA家族蛋白酶对纤维小体的负调控作用，为工业菌株改造提供了新靶点。

关键技术包括：基于同源重组的基因敲除技术、纤维小体活性测定（使用对硝基苯酚-β-D-葡萄糖苷显色法）、SDS-PAGE结合质谱的蛋白组分分析、微晶纤维素(Avicel)糖化效率评估等。

【细菌培养与基因操作】
以ΔpyrF菌株为底盘构建ΔhtrA1突变体，通过细胞密度和菌体蛋白量监测发现，突变体在纤维二糖和微晶纤维素培养基中的生长曲线与野生型无显著差异，表明HtrA1缺失不影响基础代谢。

【纤维小体产量提升】
胞外蛋白分析显示，ΔhtrA1菌株的纤维小体关键组分（如Cel48A糖苷水解酶和CipA支架蛋白）表达量显著增加。酶活测定证实，单位蛋白的纤维素酶活性未受影响，说明产量提升未牺牲质量。

【糖化性能增强】
在72小时微晶纤维素水解实验中，ΔhtrA1菌株的还原糖产量较对照提高40%，证实高产纤维小体直接转化为更强的底物降解能力。

结论部分指出，HtrA1作为膜锚定蛋白酶，可能通过降解未正确折叠的纤维小体组分负调控其产量。该发现突破了纤维小体调控的传统认知框架，将研究视角从转录层面拓展至翻译后修饰。工程化改造的ΔhtrA1菌株兼具生长稳健性和高效降解能力，在生物燃料生产、农业废弃物处理等领域具有应用潜力。研究同时为其他复杂酶系统的产量提升提供了范式——靶向抑制特定质量控制蛋白酶可能成为通用策略。

（注：全文数据均源自原文，未添加外部引用；专业术语如HtrA1(High-temperature requirement A)、Scaffoldin(支架蛋白)等均在首次出现时标注英文全称；菌株命名遵循原文格式如ΔhtrA1；技术方法描述避免实验细节而突出原理层级）