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研究人员聚焦谷氨酸棒杆菌，揭示其产谷氨酸和赖氨酸机制，开发新应用，助力生物经济发展。
# 谷氨酸棒杆菌：从鲜味到生物经济的微生物传奇
在美食的世界里，有一种独特的味道 ——“鲜味”，它为我们的味蕾带来别样的享受。1908 年，池田菊苗发现谷氨酸钠能产生这种浓郁的鲜味，自此，鲜味物质开始走进人们的视野。而在 1956 年，两位日本研究人员为了寻找能产生鲜味的细菌，发现了谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum），这一发现开启了微生物工业生产的新篇章。如今，随着对化石原料的依赖引发诸多环境和资源问题，发展可持续的生物经济迫在眉睫。在这样的背景下，对谷氨酸棒杆菌的研究显得尤为重要，它能否为解决这些问题带来新的希望呢？
德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）的 Michael Bott 团队和比勒费尔德大学（Universit?t Bielefeld）的 Volker F. Wendisch 团队，针对谷氨酸棒杆菌展开了深入研究，相关成果发表在《BIOspektrum》上。
研究人员在研究中运用了多种关键技术方法。首先是基因组测序技术，2003 年的基因组测序结合已有的基因工程方法，开启了功能基因组研究的新时代，通过对转录组、蛋白质组和代谢组的分析，深入了解了谷氨酸棒杆菌的代谢和调控网络。其次，同位素标记结合核磁共振光谱（NMR）和质谱技术，实现了对碳通量的详细量化。此外，CRISPRi 技术用于分析必需但不可敲除的基因，而遗传编码的生物传感器则能够将细胞内代谢物浓度转化为荧光信号，便于进行基于荧光激活细胞分选（FACS）的高通量单细胞筛选 。
谷氨酸棒杆菌的产物生产机制
谷氨酸棒杆菌在特定条件下，如生物素缺乏或添加洗涤剂时，会分泌谷氨酸。相关研究发现，谷氨酸转运蛋白 MscCG，作为一种机械敏感通道，在诱导条件下可能会打开，释放细胞内的谷氨酸。另一种重要蛋白质 OdhI，通过与 2 - 氧戊二酸脱氢酶（ODH）的 OdhA 亚基结合，抑制 ODH 的活性，从而促进谷氨酸从 2 - 氧戊二酸的生成。若缺少 OdhI，谷氨酸的过量生产会大幅减少。
除了谷氨酸，谷氨酸棒杆菌还能大量生产 L - 赖氨酸。L - 赖氨酸是动物和人类必需的氨基酸，主要作为饲料添加剂使用，可提高饲料利用效率。通过对谷氨酸棒杆菌进行微生物菌株优化，开发出了高效的赖氨酸生产菌株，其产量可达 200g/L 以上。
优化菌株和基因
谷氨酸棒杆菌的研究推动了新技术的应用和发展。研究人员通过减少野生型基因组 13.4%，构建了 C1 * 底盘菌株，该菌株在以葡萄糖为碳源的基本培养基上生长速度与野生型相同，且适合新的生产途径。CRISPRi 技术的应用，助力分析了必需但不可敲除的基因，基因组范围的 CRISPRi 文库被用于开发脯氨酸生产菌株。遗传编码的生物传感器，如转录因子 LysG 用于检测赖氨酸和精氨酸，可将细胞内代谢物浓度转化为荧光信号，利用 FACS 技术实现单细胞高通量筛选，有助于发现新的提高产量的突变，即使是在必需基因中。此外，合成微生物群落的构建，如谷氨酸棒杆菌与大肠杆菌或恶臭假单胞菌的组合，开辟了新的生产途径，可用于生产 γ - 谷氨酰化胺，如茶氨酸。
替代碳源和新产品
传统的氨基酸生产多以葡萄糖、果糖和蔗糖为碳源，但这些也是重要的食品原料。为避免竞争，全球多个研究团队对谷氨酸棒杆菌进行基因改造，使其能够利用替代碳源，如生物柴油生产中的甘油、植物细胞壁中的木糖和阿拉伯糖、几丁质中的 N - 乙酰葡糖胺等。例如，利用橙子皮水解物时，需对菌株进行基因调整以克服其中生长抑制物质的影响。在 “绿色” 甲醇利用方面，虽取得了一定进展，提高了谷氨酸棒杆菌对甲醇的耐受性，但仍需进一步研究以实现高效利用。
同时，合成生物学和代谢工程促使谷氨酸棒杆菌能够生产多种产品。它在生产有机酸（如丙酮酸、乳酸、琥珀酸）方面表现高效，还可用于生产虾青素，虾青素是一种抗氧化类胡萝卜素，可作为饲料添加剂。此外，在辅酶 Q10（CoQ10）的生产研究中，谷氨酸棒杆菌虽自身不合成 CoQ10，但通过表达大肠杆菌和酵母的 CoQ10 生物合成基因，作为研究人类 CoQ10 生物合成的模型，揭示了 COQ4 酶的新功能。谷氨酸棒杆菌还应用于商业蛋白质生产，因其分泌的蛋白酶较少，可减少分泌的异源蛋白质的降解，目前已成功分泌多种蛋白质，从酶类到抗体等。
研究结论与意义
谷氨酸棒杆菌在基础研究中带来了许多令人瞩目的新发现，并且在微生物大规模生产过程中展现出了巨大的潜力。它的研究成果对于减少人类对化石原料的依赖、建立以可再生碳源为基础的循环生物经济至关重要。随着研究的不断深入，谷氨酸棒杆菌能够高效生产的产品种类繁多，未来有望基于该微生物建立更多新的生物工艺。这不仅为工业生产提供了可持续的解决方案，也为食品、饲料和人类健康等领域带来了新的发展机遇，在生命科学和生物经济领域具有重要的推动作用。
综上所述，谷氨酸棒杆菌的研究成果为生物经济发展提供了新的方向和技术支持，具有广阔的应用前景和深远的意义。
