近期，我校生物工程学院饶志明教授团队徐美娟教授课题组在工业菌株抗氧化的应用方面取得重要进展，研究成果“The flavohaemoprotein hmp maintains redox homeostasis in response to reactive oxygen and nitrogen species in Corynebacterium glutamicum”正式发表于Microbial Cell Factories(IF = 6.4) (https://doi.org/10.1186/s12934-023-02160-9)。
谷氨酸棒杆菌是一种重要的工业菌株，常用于在高溶解氧和高氮源下生产关键氨基酸和有机酸，但在发酵后期会产生大量对细胞有毒性的活性氧(ROS)和活性氮(RNS)对细菌造成氧化应激损伤。因此，需要构建具有抗氧化能力的细胞来增强工业菌株的鲁棒性提高各种氨基酸和有机酸的生产效率。Hmp黄素血红蛋白作为一个依赖氧气的NO双氧酶（NOD），将NO-和O2转化为惰性的硝酸盐，并通过依赖黄素的还原反应催化再生，与微生物的氧化还原过程相关，它能保护细胞免受氧化压力。
徐美娟教授课题组以一株高产精氨酸的谷棒菌株Cc5-5为研究对象，探究在高溶氧高氮发酵过程中ROS/RNS的形成以及黄素血红蛋白Hmp在维持氧化还原稳态中的作用。探究高溶氧与高氮条件下与发酵产氨基酸的关系，发现Cc5-5在高溶氧高氮发酵过程中由于ROS和RNS的积累而发生氧化应激。通过分析高溶氧高氮发酵条件下的转录组数据，发现hmp转录水平上调，推测hmp与氧化应激有关。因此，构建了hmp过表达菌株Cc-hmp和hmp敲除菌株Cc-Δhmp，通过测定Cc-hmp、Cc-Δhmp、Cc5-5中ROS和RNS含量、H2O2和NaNO2处理后细胞存活率，发现Cc-hmp相比Cc5-5胞内ROS和RNS下降了9.4%和22.7%，细胞存活率提高了12%。为进一步探究Hmp影响氧化还原稳态的机制，通过RT-qPCR检测了发现在Cc-hmp中铵吸收和转运基因amtB和glnD上调，而在Cc-Δhmp中8个氧化应激相关基因上调。这些结果表明hmp与细胞内氮代谢和氧化应激有关。通过解除ArnR蛋白对hmp基因的抑制作用，发现hmp在Cc-ΔarnR中的表达量是Cc5-5的8.1倍，显著提高了hmp的表达水平，同时也验证了ArnR的缺失可促进氮源的转运和利用，可显著减少RNS的产生，提高目标氨基酸精氨酸的产量。本研究揭示了不同溶氧和氮源浓度对谷氨酸棒状杆菌活性氧和活性氮的影响，以及Hmp在应对氧化应激中的作用，首次证明了Hmp与氧化还原平衡和亚硝酸盐代谢有关，为提高菌株的鲁棒性提供了一种可行的策略。
图形摘要
徐美娟教授为本论文的通讯作者，我校2021级硕士生蒋紫琴为论文的第一作者。近年来徐美娟教授以合成生物学科学理论为指导，在系统开展高效合成高值化合物细胞工厂构建及工业微生物底盘细胞改造方面取得丰硕成果，上述研究得到了国家自然科学基金(32070035)，国家重点研发计划(2021YFC2100900)，中央高校基本科研业务费专项资金(JUSRP622022, JUSRP221012)，“111计划”(111-2-06)等资助。
