氧化还原电位调控丙酮丁醇梭菌代谢的机制

氧化还原电位（ORP）是影响厌氧发酵过程效率的重要参数，对其进行调控可以提高厌氧发酵过程的效率。然而，厌氧微生物的生理与代谢、特别是其细胞蛋白质的氧化还原状态如何响应ORP的变化，尚缺乏全局性和机理性的认识。丙酮丁醇梭菌是一种具有重要工业应用的厌氧微生物，ORP的改变对其产生溶剂的能力有显著影响。本项目拟以ORP调控丙酮丁醇梭菌发酵为研究对象，综合利用基于双向电泳的常规蛋白质组技术和基于同位素亲和标签标记的氧化还原蛋白质组技术，从胞内辅酶的氧化还原状态、细胞蛋白质表达水平和蛋白质的氧化还原修饰三个层次，系统研究ORP对丙酮丁醇梭菌生理和代谢的影响，从胞内蛋白质氧化还原状态变化的角度揭示ORP调控细菌厌氧代谢的机制。研究结果有助于增加对丙酮丁醇梭菌发酵生理的理解，并为研究ORP对其他厌氧微生物的影响提供可借鉴的思路和技术途径。

氧化还原电位（ORP）是影响厌氧发酵过程效率的重要参数，为了了解其调控菌体生长代谢的机制，以便更有效的利用氧化还原电位调控策略，本研究分别对丙酮丁醇梭菌、克雷伯氏菌、大肠杆菌的发酵过程进行了氧化还原电位调控；在改变细胞生长和代谢的基础上，以克雷伯氏菌为研究对象，构建了基因组规模代谢网络模型，比较了ORP条件对菌株主要代谢流的影响；利用基于双向电泳的比较蛋白质组技术，发现了克雷伯氏菌内响应ORP调控的51个胞内蛋白（表达水平）；综合基因组规模代谢通量分析和比较蛋白质组研究结果，发现ORP调控的蛋白质表达水平的变化是导致其影响菌株生长代谢的最关键原因，而胞内NADH/NAD+水平变化也对代谢调控至关重要；建立了同位素亲和标签（ICAT）标记的氧化还原蛋白质组技术，优化了标记方法及研究条件和操作流程；对克雷伯氏菌在两种ORP条件下的胞内蛋白氧化还原状态进行了研究，发现ORP调控导致胞内多个蛋白的巯基氧化还原状态发生改变，最重要的是与NADH再生相关的3-磷酸甘油醛脱氢酶、丙酮酸脱氢酶等的巯基对ORP调控敏感，可能是低ORP条件下胞内NADH/NAD+比例较高的原因。综合上述研究结果，可以发现：菌体的蛋白质组表达、蛋白氧化还原状态、胞内NADH/NAD+水平都会受到外界ORP条件的调控，从而影响菌体生长和代谢；ORP调控的蛋白质表达水平的变化是导致其影响菌株生长代谢的最关键原因；而胞内含巯基蛋白质的氧化还原状态也会响应ORP条件变化，进而影响酶的活性和所催化途径的通量；某些与NAD(P)H再生相关酶的氧化还原修饰则导致胞内NADH/NAD+水平受到调控，也进而影响到菌体的生长和代谢。另外，本研究还发现了厌氧条件下激活丙酮酸脱氢酶的潜在策略。研究结果深入理解了ORP调控机制，为进一步有效应用奠定了基础。