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在过去的几十年,有关各种芳香化合物的微生物代谢途径的研究在生化水平和分子水平都进行了详细的研究(http://umbbd.ahc.umn.edu)。相比较微生物代谢途径的大量研究,有关芳香化合物转运蛋白研究的报道却少的多。
Ralstonia sp, strain U2通过龙胆酸代谢途径降解萘,但是却不能利用龙胆酸作为唯一的碳源和能源生长。本研究将来自谷氨酸棒杆菌ATCC13032的ncgl2922基因编码的可能的龙胆酸转运蛋白在Ralstonia sp. strain U2中异源表达,使得U2菌能够利用龙胆酸作为碳源和能源进行生长。利用质粒pGFPe,ncgl2922基因与质粒本身带有的绿色荧光蛋白基因在大肠杆菌细胞中融合表达。共聚焦显微镜观察结果表明,融合蛋白只位于大肠杆菌细胞质膜上,而只带有质粒pGFPe的大肠杆菌细胞表达绿色荧光蛋白普遍的分布于整个细胞质中。酶活测定结果表明,U2野生型菌株在龙胆酸诱导下,龙胆酸1,2-双加氧酶的酶活力仅处于一个极低的水平,仅仅是天然诱导物水杨酸诱导活力的五分之一,而带有转运蛋白GenK(Ncg12922)的Ralstonia sp. strain U2工程菌在水杨酸和龙胆酸分别诱导时龙胆酸1,2-双加氧酶的酶活力均与Ralstonia sp. strain U2野生菌在天然诱导物水杨酸诱导时酶活力水平相当。说明恰恰是因为龙胆酸无法进入细胞而使得Ralstonia sp. strain U2菌虽然存在龙胆酸代谢途径,但是不能直接利用龙胆酸进行生长。并通过趋化试验证明了,GenK(Ncg12922)仅行使龙胆酸转运蛋白的功能,而非兼有趋化蛋白的功能。
Klebsiella pneumoniae M5a1通过龙胆酸代谢途径降解3-羟基苯甲酸(3-hydroxybenzoate),在Klebsiella pneumoniae M5a1整个3-羟基苯甲酸代谢基因簇的在Pseudomonas putida PaW340中异源表达之后,通过对该基因簇的mhbT基因敲除和互补,以3-羟基苯甲酸和龙胆酸为底物分别进行生长试验和HPLC检测,证明了MhbT是3一羟基苯甲酸/龙胆酸双功能的转运蛋白,其在3-羟基苯甲酸代谢的龙胆酸途径中起着关键的作用。第二,MhbT-GFP融合蛋白同源(Klebsiella pneumoniae M5a1野生型)和异源(P. putida PaW340和E coliBL21(DE3))两种方式表达后,通过共聚焦显微镜观察,均定位在细胞膜上。第三,在野生型Klebsiella pneumoniae M5a1中过量表达MhbT,经过酶学分析检测,数据显示:经过3-羟基苯甲酸诱导3-羟基苯甲酸6-单加氧酶和龙胆酸1,2-双加氧酶的活力分别提高大约2.5倍和3倍;而龙胆酸诱导后的活力几乎未变,说明了MhbT在3-羟基苯甲酸代谢的重要性。第四,MhbT作为革兰氏阴性菌的龙胆酸转运蛋白,在革兰氏阳性菌Corynebacterium glutamicum中能正确地表达和行使功能。
综上所述,本项研究利用分子生物学、生物信息学等技术,通过高效液相色谱分析,紫外分光光度计和紫外共聚焦显微术等多种手段对龙胆酸和3-羟基苯甲酸/龙胆酸两种新型的芳香酸转运蛋白进行体内和体外的表达,鉴定两种转运蛋白的功能及其对后续酶活力的影响,并确定转运蛋白在细胞中表达的位置。揭示降解龙胆酸和3-羟基苯甲酸代谢的转运机制,从而阐明谷氨酸棒杆菌作为革兰氏阳性菌模式菌和肺炎克氏杆菌作为革兰氏阴性菌模式菌在细胞水平对芳香酸化合物的转运机制。同时分析转运蛋白对后续酶活力的影响,同时在另一个角度可以说明转远蛋白与代谢相关。