基于转录组学与情境化模型解析谷氨酸棒杆菌应激代谢重编程机制及其工业应用潜力

本研究通过整合转录组学与基因组尺度代谢模型（GSMM），深入解析了谷氨酸棒杆菌在热应激与高渗应激（NaCl与Lys-SO4诱导）下的代谢重编程机制。研究发现不同应激源特异性调控中心代谢、能量代谢及氨基酸分泌通路，并通过模型指导成功预测了增强渗透耐受性的关键基因（如mez、panC）。该研究为理性设计抗逆微生物细胞工厂提供了新策略。

　　

亮点

热应激（40℃）显著改变1,294个基因表达，抑制中心代谢与核糖体合成，激活热休克与氧化应激响应。

高渗应激中，NaCl与Lys-SO₄分别差异调控289和349个基因，其中NaCl促进碳代谢，而Lys-SO₄特异性激活硫代谢。

转录组约束模型揭示热与Lys-SO₄应激共抑制三羧酸循环（TCA）与呼吸链，增强磷酸戊糖途径（PPP）和L-谷氨酸分泌；NaCl则诱导乙酸溢流。

模型指导的基因过表达（mez、panC、sucC、sucD）有效提升渗透耐受性，经实验验证。

引言

生物制造依赖微生物细胞工厂将可再生原料转化为化学品，支撑绿色经济可持续发展。谷氨酸棒杆菌作为革兰阳性菌，是年产超六百万吨L-谷氨酸与L-赖氨酸的核心工业菌株，还可合成维生素、有机酸与重组蛋白。工业发酵中，热应激（源于代谢热与冷却不足）与高渗应激（源于溶质积累）会破坏蛋白稳定性、膜完整性及能量代谢，导致代谢流向应激防御偏移。多组学与适应性实验室进化（ALE）研究表明，活性氧（ROS）清除与分子伴侣是热耐受关键，而离子通道调控与相容性溶质积累则促进渗透适应。尽管大肠杆菌等模式菌应激机制较明确，谷氨酸棒杆菌的应激代谢调控网络仍待解析。基因组尺度代谢模型（GSMM）可关联基因型与表型，但尚未有研究整合谷氨酸棒杆菌转录组数据构建情境化模型。本研究通过RNA测序（RNA-seq）分析热与高渗应激下的转录组变化，并整合至GSMM，旨在揭示应激驱动的代谢重编程机制，为构建抗逆菌株提供新见解。

片段节选

菌株与培养基

谷氨酸棒杆菌标准菌株ATCC 13032复苏后于含10 g/L葡萄糖的LB培养基中培养。种子液接种至CGXII培养基（5 g/L葡萄糖），于250 mL锥形瓶（50 mL工作体积，30℃, 220 rpm）培养至OD₆₀₀=0.1，继而转接至相同培养基进行后续应激实验。

热与高渗应激处理

中对数期菌液分别暴露于40℃（热应激）、0.6 M NaCl或0.6 M Lys-SO₄（高渗应激）8小时，以未处理组为对照。

单基因与多基因表达的计算机模拟调控

通过替换应激条件下靶基因表达量（FPKM）至对照组水平，非靶基因按比例缩放以维持转录总量平衡，利用RIPTiDe算法计算flux分布。优先选择预测提升生长或代谢活性的基因进行实验验证。

应激改变生长与代谢

40℃热应激使最大生物量降低54.2%，比生长速率（μ）在3小时后下降；高渗应激中NaCl与Lys-SO₄均抑制生长但程度较轻。代谢分析显示应激条件下葡萄糖消耗与乳酸分泌模式发生显著改变。

基因表达显著扰动

PCA分析表明热应激引起最大转录组变异（PC1分离），高渗应激影响较小（PC2分离）。热应激差异表达基因达1,294个（637上调/657下调），NaCl与Lys-SO₄分别影响289与349个基因。热应激下调中心代谢、核糖体与转运蛋白基因，上调热休克蛋白（如dnaK）与抗氧化基因；NaCl激活碳代谢与营养摄取基因；Lys-SO₄特异性诱导硫代谢通路。

讨论

工业发酵中动态应激严重制约菌株性能。本研究通过转录组与GSMM整合，首次系统性解析谷氨酸棒杆菌在热与高渗应激下的代谢重构：热与Lys-SO₄应激协同抑制TCA循环与呼吸作用，增强PPP通量与L-谷氨酸分泌；NaCl应激诱发乙酸溢流。模型指导的基因过表达策略成功提升渗透耐受，证实了计算预测的可靠性。该框架为多应激协同调控机制研究与抗逆菌株理性设计提供了新范式。

结论

转录组学揭示谷氨酸棒杆菌在热、NaCl与Lys-SO₄应激下发生显著代谢重编程。GSMM整合分析表明热与Lys-SO₄抑制TCA循环与呼吸，激活PPP与L-谷氨酸分泌；NaCl诱导乙酸溢流。模型指导的基因操作（mez、panC等）有效增强耐受性，为工业菌株抗逆工程提供了新靶点与策略。