拜氏梭菌木糖代谢相关基因的功能鉴定(3)
在国内，随着粮食价格的逐渐放开，以粮食为原料的丁醇发酵工业成本剧增，生产难以为继，急需寻找能取代粮食的廉价原料[15]。木质纤文素类生物质包括木材（如杨树、桉树、松树等）及林产加工废弃物和农业秸秆类废弃物（如玉米秆、小麦秆、稻秆等）具有来源广、用途广和易收集等特点，且含有丰富的纤文素和半纤文素多糖，通过微生物发酵将它们转化为能源及高附加值的化学品，对于缓解全球带来的当前世界能源危机、粮食短缺和环境污染等问题压力和解决环境污染问题具有重要意义[16]。
在植物纤文中,纤文素和半纤文素占到原料干重的50%以上,主要成分为己糖(葡萄糖)和戊糖(木糖以及阿拉伯糖)。木糖作为生物质原料中除葡萄糖外的第二大糖类，能够广泛利用于生物工业。
20世纪80年代以来,全世界掀起了戊糖发酵的研究热潮,主要集中于最主要的戊糖——木糖的发酵机理探讨、木糖发酵菌株的选育以及改造,而针对阿拉伯糖发酵的研究则相对较少。对于大多数微生物而言,木糖从细胞外被转运至细胞内后,首先通过两步(木糖异构酶和木酮糖激酶)或三步(木糖还原酶、木糖醇脱氢酶和木酮糖激酶)催化反应生成5-磷酸-木酮糖,随后进入磷酸戊糖途径进行代谢,这其中又包括4个关键酶——转醛酶、转酮酶、5-磷酸-核糖异构酶以及5-磷酸-核酮糖差向异构酶。生成的中间物6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛最终进入糖酵解途径进行代谢[17，21]。显然,微生物中木糖代谢要比葡萄糖代谢复杂。
富含纤文素和半纤文素的秸秆是最有潜力的丁醇醇生产原料[18]。传统丙酮丁醇发酵时原料成本占60% ~70%，降低原料成本对进一步增强丁醇的市场竞争力至关重要,采用廉价、储量丰富的木质纤文素为原料发酵生产丁的前景十分广阔[19]。
作为典型的产溶剂梭菌，丙酮丁醇梭菌和拜氏梭菌对木糖的利用率偏低，这使得它们不能有效利用木质纤文素水解液发酵生产丁醇等生物燃料。
在拜氏梭菌发酵中采用木糖作为发酵基质。但拜氏梭菌在利用木质纤文生物发酵中存在丁醇生产水平低，木糖利用率低的问题。
细胞工厂的一个关键核心技术就是要提高生物质资源的利用率,更好地利用秸秆、树木和低值农作物等廉价的生物质原料,降低生产成本。因此,只有解析微生物的基因、蛋白、网络与代谢过程的本质,认识并改造微生物的自然代谢能力,从而提高其利用各种生物质的能力,才能使丰富的生物质资源真正成为替代石油的工业原料[20]。
高效利用木质纤文素的技术关键之一就是提高微生物对戊糖的利用能力,实现戊糖和己糖的同等发酵。利用生物法转化木质纤文原料的工艺路线主要包括3个关键步骤: (1)原料预处理,获得易于降解的纤文素和半纤文素; (2)纤文素酶制备和酶水解,将纤文素和半纤文素降解成糖液; (3)糖液发酵获得目标产品。由于戊糖在水解糖液中占有较高比重,戊糖的高效利用已成为纤文原料生物炼制的关键之一[21]。
1.2.3 拜氏梭菌中木糖代谢途径
中科院微生物代谢调控与代谢工程研究组与杨琛老师课题组合作完成了信息学分析和鉴定，预测了厚壁菌门中包括产溶剂梭菌在内的多个菌株的木糖途径的转运基因、酶基因以及调控基因等功能元件。在拜氏梭菌中预测了包括木糖转运、酶及调控基因簇即木糖代谢的基因簇，木糖代谢基因簇对于木糖的转运和代谢有比较重要的作用。
图1-1 拜氏梭菌木糖转运、酶及调控基因
图1-2 木糖在拜氏梭菌中的代谢途径
ABC transporters原理：ATP结合盒（ABC）转运形成一个已知的最大的蛋白质家族，广泛存在于细菌，古细菌和真核生物。这对ATP水解主动运输各种各样的基板，如离子，糖类，脂类，甾醇，肽，蛋白质，药物。原核的ABC转运的结构通常由三个部分组成，通常是两个不可分割的膜蛋白分别具有6个跨膜片段，两个外围的蛋白质结合和水解ATP，和周质（或脂蛋白）的底物结合的蛋白质。实际上许多细菌和古细菌基因组中观察到的3个成分的许多基因形成操纵子。另一方面，在一个典型的真核细胞的ABC转运的跨膜蛋白，ATP结合蛋白融合，形成多结构域蛋白与膜生成树域（MSD）的核苷酸结合结构域（NBD）。(http://www.genome.jp/dbget-bin/www_bget?cbe02010)
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