在固态发酵和液态发酵条件下，Beauveria bassiana 秘书组（secretome）动态的比较研究

《Scientific African》：Comparative secretome dynamics of Beauveria bassiana under solid-state and submerged fermentation

白僵菌在固态发酵（SSF）和液态发酵（SF）中分泌蛋白谱差异显著，通过LC-MS/MS分析发现SSF条件诱导更多多糖分解酶（如β-葡萄糖苷酶、纤维素酶）表达，总蛋白数达1162个，较SF的613个多55%，且CAZymes数量（236 vs 147）和功能多样性更高，证实固态发酵更利于其生物质降解能力，为生物燃料和酶工程提供新资源。

　　本文围绕一种名为 *Beauveria bassiana*（简称Bb）的真菌展开，探讨其在不同发酵条件下（即固态发酵SSF和液态发酵SF）的分泌蛋白组差异。作为一种常见的昆虫病原真菌，Bb在生物防治领域有着广泛的应用。然而，近年来的研究发现，某些Bb菌株还具有降解木质纤维素的能力，这使其在生物过程领域展现出巨大的潜力。本文首次通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）方法对Bb在SSF和SF条件下的分泌蛋白组进行比较分析，揭示了其在不同发酵模式下的代谢特性与蛋白表达差异。

### 研究背景与意义

Bb作为真菌界的重要成员，其在生态系统中扮演着有机物质循环的重要角色。其基因组中富含编码蛋白的基因，这使得Bb在生物技术领域成为重要的研究对象。除了在生物防治方面的应用，Bb还因其能够产生多种与木质纤维素降解相关的酶而受到关注。这些酶在生物燃料生产、生物资源转化等可持续生物工艺中具有潜在价值。因此，深入研究Bb的分泌蛋白组，有助于进一步挖掘其在工业应用中的潜力，尤其是在木质纤维素资源利用方面。

在工业应用中，固态发酵和液态发酵是两种常见的生物工艺模式。前者通常用于模拟自然条件，后者则更适用于大规模生产。由于Bb在自然环境中主要生长于固态基质上，其在SSF条件下的分泌蛋白组可能更接近其生理特性，从而表现出更高的复杂性和多样性。因此，本研究通过比较这两种发酵模式下Bb的分泌蛋白组，旨在揭示其在不同环境下的代谢策略与功能差异，为未来Bb在生物资源转化中的应用提供理论依据。

### 方法与技术

本研究采用了LC-MS/MS技术对Bb的分泌蛋白组进行分析。该技术因其高灵敏度、高特异性以及全面性，被广泛用于微生物蛋白质组的研究。在实验过程中，Bb SAN01菌株被培养在小麦麸皮基质上，分别采用SSF和SF两种模式进行发酵。在完成发酵后，通过蛋白提取和LC-MS/MS分析，对分泌蛋白进行鉴定和定量。此外，研究还结合了信号肽预测、跨膜蛋白分析、CAZymes注释以及基因功能富集分析等方法，全面评估Bb的分泌蛋白组。

通过信号肽预测工具SignalP5.0，研究人员发现约70%的Bb蛋白具有信号肽，表明这些蛋白可能通过经典的Sec分泌途径被释放到细胞外。同时，跨膜蛋白分析表明，超过90%的分泌蛋白不具有跨膜结构，因此更倾向于属于分泌蛋白类别。这些发现为Bb分泌蛋白的功能定位提供了重要线索，也为后续的功能研究奠定了基础。

在CAZymes注释方面，研究人员使用了dbCAN3服务器，该工具能够对蛋白质进行分类，并识别其是否属于与碳水化合物活性相关的酶。通过整合多个分析工具，研究发现Bb在SSF条件下分泌的CAZymes数量显著高于SF条件下的分泌量，表明SSF环境可能更有利于Bb产生多种降解木质纤维素的酶。这些CAZymes不仅能够作用于木质纤维素，还能降解其他多种多糖，如淀粉、半纤维素、几丁质等，显示出Bb在多种生物资源利用方面的潜力。

### 研究结果与分析

实验结果显示，Bb在SSF和SF条件下的分泌蛋白组表现出显著差异。在SSF条件下，共鉴定出1162种分泌蛋白，其中301种被标记为上调蛋白；而在SF条件下，共鉴定出613种分泌蛋白，其中40种被标记为上调蛋白。这表明，在SSF条件下，Bb的分泌蛋白组表现出更高的复杂性和多样性。从功能角度来看，SSF分泌蛋白组中，碳水化合物代谢、生物膜结构、细胞壁相关蛋白以及蛋白酶等多种蛋白均表现出显著上调，表明Bb在SSF条件下可能更倾向于激活与生物质降解相关的代谢通路。

相比之下，在SF条件下，Bb的分泌蛋白组中，上调蛋白主要集中在几丁质代谢相关的酶上，如几丁酶和β-N-乙酰葡糖胺酶。这可能与SF环境更接近昆虫体液的条件有关，因为Bb在自然环境中需要与昆虫宿主相互作用，从而激活与几丁质降解相关的代谢路径。此外，SF条件下分泌的蛋白酶种类较少，但其在某些特定酶上的上调程度较高，这可能与其在昆虫宿主中的生存策略有关。

从基因功能富集分析来看，Bb在SSF和SF条件下的分泌蛋白组均表现出较强的碳水化合物代谢能力。在SSF条件下，碳水化合物代谢相关的基因占比高达14.9%，而在SF条件下，这一比例为12.8%。这表明，SSF环境可能更有利于Bb在生物质降解方面的代谢活动。同时，Bb在SSF条件下的分泌蛋白组中还包含一些在SF条件下未被发现的CAZyme家族，如GH5_9、GH16_3和GH16_18，这些家族的蛋白可能在木质纤维素降解过程中发挥关键作用。

此外，研究还发现，Bb的分泌蛋白组中包含多种与生物膜相关的蛋白，如WSC域蛋白、fCBD域蛋白等。这些蛋白可能在细胞壁结构维持、营养吸收和代谢调控中起重要作用。值得注意的是，某些蛋白如β-1,3-葡聚糖酶和几丁酶，其表达水平在SSF条件下显著高于SF条件，这可能与Bb在固态基质中的生长特性有关。

### 研究意义与应用前景

本研究的结果不仅揭示了Bb在不同发酵条件下的分泌蛋白组差异，还进一步证明了其在木质纤维素降解方面的强大能力。这种能力为Bb在生物质转化、生物燃料生产以及生物资源开发中的应用提供了新的思路。此外，Bb在SSF条件下的分泌蛋白组表现出更高的复杂性，这可能与其在自然环境中适应固态基质的特性有关。这种适应性使得Bb在SSF条件下能够更高效地利用木质纤维素，从而表现出更高的代谢活性和蛋白质分泌能力。

从生物技术角度来看，Bb的分泌蛋白组中包含多种具有工业应用价值的酶，如蛋白酶、糖苷水解酶、几丁质酶等。这些酶不仅可用于生物质降解，还可以用于食品加工、纺织品处理、清洁剂制造等多个领域。此外，Bb的分泌蛋白组中还包含一些具有金属结合能力的蛋白，这可能为其在重金属污染治理方面的应用提供新的可能。

本研究的结果也对可持续发展目标（SDGs）的实现具有重要意义。例如，Bb在SSF条件下的分泌蛋白组能够显著提高生物质转化效率，从而有助于实现“可负担且清洁的能源”（SDG7）、“负责任的消费和生产”（SDG12）以及“工业、创新和基础设施”（SDG9）等目标。此外，Bb在SSF条件下的分泌蛋白组还表现出对多种生物资源的适应能力，这可能为非洲地区的循环经济和绿色增长提供支持。

### 讨论与展望

尽管本研究揭示了Bb在SSF和SF条件下的分泌蛋白组差异，但仍有多个方面值得进一步探讨。例如，不同发酵时间点的分泌蛋白组分析可能有助于更全面地理解Bb在生物质降解过程中的动态变化。此外，研究还可以进一步探讨Bb在不同基质条件下的分泌蛋白组变化，以评估其在不同工业场景中的适应性。同时，对Bb分泌蛋白的详细功能研究也是未来的重要方向，这有助于揭示其在生物资源利用中的具体机制。

从生态和工业角度来看，Bb的分泌蛋白组表现出较强的代谢灵活性，这使其成为一种理想的生物资源。通过优化其发酵条件，研究人员可以进一步提高Bb在木质纤维素降解方面的效率，从而推动其在生物燃料、生物资源转化等领域的应用。此外，Bb在SSF条件下的分泌蛋白组还可能为其他真菌的分泌蛋白组研究提供参考，有助于拓展对木质纤维素降解机制的理解。

综上所述，本研究不仅揭示了Bb在不同发酵条件下的分泌蛋白组差异，还进一步证明了其在木质纤维素降解方面的潜力。这些发现为Bb在生物技术领域的应用提供了新的视角，并可能推动其在可持续生物工艺中的发展。未来的研究可以进一步探讨Bb分泌蛋白的功能机制，优化其发酵条件，以提高其在工业应用中的效率。同时，Bb在SSF条件下的分泌蛋白组也提示了其在自然环境中的适应性，这可能为其在生态修复和生物资源利用中的应用提供新的思路。