严格厌氧大豆异黄酮转化菌株耐氧突变株的耐氧机制研究

大豆异黄酮代谢产物具有比大豆异黄酮更高更广的生物学活性，然而目前能用化学方法进行人工合成的代谢产物种类却十分有限。大豆异黄酮转化菌株的成功分离虽能使多数代谢产物通过微生物发酵进行生物合成，但转化菌株的严格厌氧特性严重影响了产物的合成效率。鉴于转化菌株的氧敏感问题，课题组成功驯化了3株在有空气氧条件下能生长与转化的耐氧突变株。本项目拟研究耐氧突变株的抗氧化非酶机制（抗氧化"保护膜"结构和硫化氢合成）、抗氧化还原系统（硫氧环蛋白（Trx）和谷氧环蛋白（Grx）系统）以及抗氧化酶（超氧化物岐化酶（SOD）、超氧化物还原酶（SOR）、NADH氧化酶和NADH过氧化物酶）种类及含量等，从菌体形态及习性、化学组分、蛋白质和核酸水平上首次揭示耐氧突变株的耐氧机制；研究耐氧突变株的最佳有氧转化条件，提高有氧转化效率。

大豆异黄酮微生物代谢产物具有比大豆异黄酮更高、更广的生物学活性。目前绝大多数异黄酮代谢产物尚不能进行化学合成，已分离的大豆异黄酮转化菌株使大豆异黄酮代谢产物的生物合成变为可能。然而，目前国内外报道的大豆异黄酮转化菌株全部为厌氧细菌菌株，加之转化菌株所催化的反应均涉及还原反应，使得大豆异黄酮代谢产物的微生物生物合成必须在严格厌氧环境下完成，而长期维持严格厌氧环境需要大量资金投入。此外，反应过程中一点点氧气的渗入都会明显降低转化效率，严重时甚至会使菌株完全不转化而导致“绝产”。鉴于大豆异黄酮转化菌株的氧敏感问题，课题组经耐氧驯化成功获得了既能在有氧条件下生长又能在有氧条件下转化的耐氧突变株。该项目从耐氧突变株抗氧化的非酶和抗氧化酶两个方面，对耐氧突变株的耐氧机制进行研究。通过本项目首次发现，耐氧突变株是通过菌株黏连进而沉至氧化-还原电位低的试管底部生长的“避氧”策略，通过形成抗氧化保护膜物理屏障的“防氧”策略，通过产生氢气和硫化氢等气体来有效驱离液体培养基溶氧的“驱氧”策略，通过NADH氧化酶和 NADH 过氧化物酶系统以及形成氧化吲哚和一氧化氮等化合物的“耗氧”策略，有效避免了培养基溶氧对突变株造成伤害。此外，通过进一步的耐氧驯化，耐氧突变株生长速度明显加快，生长量明显加大。耐氧突变株在有氧条件下的生长量是原出发菌株在厌氧条件下的2-3倍，有氧转化效率是原出发菌株在厌氧条件下的近3倍。通过本项目获得了既具重要理论研究价值又具实际应用价值的耐氧突变株。地球形成之初本无氧气，蓝细菌通过光合作用为地球带来了“氧气革命”，本项目研究结果可为厌氧微生物到兼性厌氧乃至好氧微生物的演化提供借鉴。