极端嗜热古菌Saccharolobus islandicus纤维素酶系统的协同调控机制及其在生物质降解中的应用

本研究针对嗜热酸性古菌纤维素降解机制不明的科学问题，通过构建pSeAP组成型表达载体和基因编辑系统，解析了Saccharolobus islandicus REY15A中Cel1、Cel2A和LacS三种纤维素酶的膜定位特性（Cel2A分泌率高于Cel1）、CMC诱导表达模式及转录互作网络。发现aCcr1转录因子结合cel1启动子，揭示ABC转运体介导的寡糖依赖性调控新机制，为开发高温酸性环境下的生物质"一锅法"转化技术提供理论支撑。

　　

在硫酸盐热泉等极端环境中，嗜热酸性古菌Sulfolobales目微生物因其独特的耐高温（75℃以上）、耐强酸（pH<4）特性，被视为生物质降解的理想候选者。这类微生物可直接在酸热预处理后的木质纤维素上生长，避免传统工艺中冷却、中和的高能耗步骤，实现"一锅法"生物转化。然而，其纤维素酶系统长期存在三大谜团：酶活性低、调控机制不清、各组分协同关系未知。山东大学的研究团队以模式菌株Saccharolobus islandicus REY15A为对象，揭开了这一"黑箱"机制。

研究团队运用自主研发的pSeAP组成型表达载体（含高活性P_alba启动子）、CRISPR-Cas基因编辑系统，结合膜蛋白分离技术和EMSA（电泳迁移率变动分析）等实验手段。通过构建单/双基因敲除株和过表达株，分析E233（pyrEF缺陷型）等工程菌在含CMC培养基中的生长表型。

膜定位与分泌特性
研究发现Cel1和Cel2A均为膜结合蛋白，但Cel2A分泌比例显著高于Cel1（占胞外总活性80%）。酶活检测证实Cel2A是REY15A中唯一具有内切葡聚糖酶活性的关键酶，其最适温度95℃、最适pH 3.5的特性与热泉环境完美匹配。

转录级联调控
当敲除lacS（编码β-半乳糖苷酶）或过表达ABC转运体时，cel1/cel2A转录水平显著升高，提示细胞内寡糖积累触发反馈抑制解除。EMSA实验首次证实细胞周期调控因子aCcr1能特异性结合cel1启动子区域，将纤维素降解与细胞周期偶联。

代谢网络互作
意外发现纤维素酶基因缺失株在CMC培养基中生长更快，而尿嘧啶合成通路（pyrEF）缺陷会激活纤维素酶表达。这种"代谢代价权衡"现象暗示古菌在营养匮乏环境中优先分配资源至必需代谢途径。

该研究绘制出古菌纤维素降解的精密调控网络：环境信号（CMC）→膜定位酶系统（Cel2A主导分泌型水解）→ABC转运体介导的寡糖感知→aCcr1转录调控→细胞周期协同。这一发现不仅破解了极端环境下"高效降解但低表达"的表观矛盾，更为设计耐热耐酸的全细胞催化剂提供新策略——通过调控aCcr1结合活性或优化ABC转运体表达，可突破古菌纤维素酶产量的天然限制。论文成果发表于《Bioresource Technology》，为开发基于嗜热古菌的第三代生物炼制技术奠定理论基础。