兩株紅色糖多孢菌在不同氮源培養條件下的代謝比較

黃 剛，周 英，葉邦策

(華東理工大學 生物反應器工程國家重點實驗室，上海 200237)

紅色糖多孢菌(Saccharopolysporaerythraea)最初是由McGuire等人于1952年從土壤中分離得到的，是一種革蘭氏陽性放線菌，屬糖多孢菌屬[1]，與經典的鏈霉菌(如阿維鏈霉菌和天藍色鏈霉菌)有較高的生物同源性。Markiyan Oliynyk在《Nature》上刊登了紅色糖多孢菌模式菌株NRRL23338的全基因組測序信息，為更加全面和系統地研究這一菌株奠定了基礎。紅色糖多孢菌因用于工業規模的紅霉素生產而受到廣泛關注和深入的研究。紅霉素(Erythromycin，Er)是一種含有十四元環的大環內酯類抗生素[2]，具有廣泛的抗菌效能，包括多種成分，主要有紅霉素A(Er A)、紅霉素B、紅霉素C、紅霉素D等，其中紅霉素A是最早分離出來的，也是起主要病理作用的成分。

對于紅色糖多孢菌的研究，目前主要集中在對紅霉素生物合成相關分子機制的探索和紅霉素發酵工藝的改進。其中紅霉素的合成模式已被作為聚酮類抗生素的合成典范得到了詳盡闡述，工業生產也達到了幾十噸甚至上百噸的規模。近年來，紅色糖多孢菌的研究有了新的發展和突破，如組學、代謝網絡分析對于抗生素合成代謝調控的闡述以及基于代謝流分析的多尺度優化提高生產能力[3]等。盡管針對紅色糖多孢菌代謝網絡及紅霉素合成機制已經做了大量研究工作[4]，但是由于微生物代謝的復雜性，紅霉素合成的全基因組水平上的調控機制仍然遠遠沒有闡釋明確。而氮源代謝作為與抗生素合成緊密相關的代謝途徑，在鏈霉菌中也進行了較多的闡述[5,6]。

轉錄組芯片和凝膠阻滯(EMSA)等實驗發現，在紅霉素高產菌株中，與氮源代謝相關的基因(如glnR、glnB)、銨鹽與寡肽轉運蛋白基因等在高產菌株中被強烈抑制。可推測在高產菌株和野生菌株中，氮源代謝存在很大差異，并與紅霉素合成存在緊密的聯系。作者在此進一步對高產菌株和野生菌株在不同氮源條件下的代謝進行比較，通過測定相應胞內氨基酸和有機酸的含量，探索氮源代謝與紅霉素合成的關系。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

RNeasy Mini RNA提取試劑盒，Qiagene公司；谷氨酸/谷氨酰胺ELISA測試試劑盒，上海銳聰生物科技有限公司；紅霉素、谷氨酸、谷氨酰胺標準品，Sigma公司；甲醇、乙腈，CNW公司；其它試劑均為國產化學純或者分析純。

LC-20AT型高效液相色譜儀，日本島津貿易公司；多功能酶標儀，美國Biotech公司。

1.2 菌株

紅色糖多孢菌模式菌SaccharopolysporaerythraeaNRRL23338，記為M菌，德國菌株保藏中心；紅霉素高產菌，記為A菌，華東理工大學發酵工程實驗室。

1.3 培養基

種子培養基為GYM培養基(g·L-1)：葡萄糖4.0，酵母提取物4.0，麥芽提取物10.0，pH值7.0，121 ℃滅菌20 min。

發酵培養基為SCM培養基(g·L-1)：葡萄糖30，酵母提取物6，蛋白胨4，甘氨酸2，MgSO4·7H2O 0.5，KH2PO40.68，pH值7.0，121 ℃滅菌25 min。

單一氮源培養基為在Evans培養基[7]中分別加入1%的蛋白胨、L-谷氨酰胺、硫酸銨、硝酸鈉。

1.4 方法

1.4.1 胞內代謝物的提取[7]及測定

取發酵液20 mL，5000 r·min-1離心30 min，去上清，用等體積的60%乙醇重懸；放入液氮中凍融10 min，置于室溫溶解，反復凍融3次；用超聲波破碎儀超聲10 min(60次)，功率為300 W，工作時間3 s/間隙時間7 s；超聲完成后于5000 r·min-1離心30 min，取上清,經冷凍、真空干燥、濃縮，即得胞內代謝物。

色譜條件：Intersil ODS-4 C18反向色譜柱(4.0 mm×250 mm，5 μm)；流動相為0.027%濃硫酸(含0.0005 mol·L-1的十二烷基磺酸鈉)；pH值2.5；流速0.8 mL·min-1；柱溫30 ℃；紫外檢測波長210 nm。

1.4.2 谷氨酸和谷氨酰胺的測定

谷氨酸和谷氨酰胺的測定參照酶聯免疫(ELISA)測試試劑盒說明書進行，顯色后用酶標儀讀取吸光值。

1.4.3 紅霉素效價的測定

取1 mL發酵液，于12 000 r·min-1高速離心5 min，取上清，采用磷酸水解法測定紅霉素效價[8]：將上清用0.22 μm的微孔濾膜過濾處理，并將濾液用超純水稀釋到200 μg·mL-1；吸取稀釋的樣品0.8 mL于10 mL的容量瓶中，加入4 mL 10 mol·L-1的磷酸，搖勻；將容量瓶置于沸水中煮3 min，再冷至室溫，用10 mol·L-1的磷酸定容到10 mL，搖勻；以超純水作為空白對照，測定各處理后的樣品在485 nm處的吸光值。

2 結果與討論

2.1 氨基酸及有機酸的標準曲線(表1)

表1 氨基酸及有機酸的標準曲線

2.2 不同氮源條件下的氨基酸和有機酸的含量

不同氮源條件下，野生模式菌(M菌)和高產菌(A菌)在不同時間取樣，測定的氨基酸含量見圖1、有機酸含量見表2。

圖1 紅色糖多孢菌的谷氨酸與谷氨酰胺含量

表2 紅色糖多孢菌在不同時間的胞內有機酸含量/μg·g-1

由圖1和表2可以看出，在4種不同氮源培養條件下，M菌與A菌體內的氨基酸和有機酸含量存在顯著差異，同一菌株體內的氨基酸和有機酸含量也存在顯著差異。

在同一菌株內，與氮源代謝直接相關的α-酮戊二酸、谷氨酸、谷氨酰胺的含量和與碳源代謝相關的有機酸如蘋果酸、檸檬酸的含量在不同的氮源培養條件下呈現相反的趨勢。以18 h取樣為例，以硫酸銨作為唯一氮源時A菌體內的α-酮戊二酸、谷氨酸、谷氨酰胺的胞內含量達到最高，分別為8.81 μg·g-1、170 μg·g-1、140 pg·g-1，而蘋果酸和檸檬酸的含量則最低。

不同菌株間，以硫酸銨作為氮源時，A菌體內的α-酮戊二酸、谷氨酸、谷氨酰胺含量較M菌顯著升高，蘋果酸和檸檬酸含量卻更低。這與芯片數據顯示的在工業菌株中銨鹽轉運蛋白被強烈抑制的結果仿佛存在矛盾，但之前有報道在其它菌屬中，當銨鹽濃度升高時，微生物會通過對體內的谷氨酰胺合成酶(GS)進行腺苷酰化來提高其催化能力[9]，從而有效保持體內谷氨酸與谷氨酰胺的含量。在次級代謝和初級代謝上，M菌初級代謝水平高于A菌，不利于抗生素等的合成。

硝酸鈉和蛋白胨對兩菌株的影響較為接近，A菌與M菌對這兩種氮源的利用都不會出現太多障礙，因為蛋白胨本身作為復合型的氮源，為微生物的生長和代謝提供了多樣的營養選擇，在A菌體內，由芯片數據可知硝酸鈉的轉運得到了促進，因此雖然是單一的氮源，但工業菌能有效對其進行吸收和利用。而對于L-谷氨酰胺，由于其轉運蛋白在A菌體內受到強烈抑制，因此與氮源代謝相關的α-酮戊二酸、谷氨酸、谷氨酰胺都明顯處于最低水平，也影響到了菌體的生長，檸檬酸循環中相應的有機酸含量也較低。這些都與芯片數據所反映的情況一致。

對于紅霉素的合成，在硫酸銨、硝酸鈉和谷氨酰胺作為唯一氮源時，A菌的產量并不與野生菌存在差異，只有在復合氮源蛋白胨存在的情況下，紅霉素產量有較明顯的提高。這可能是因為，單一氮源并不足以長時間保證紅色糖多孢菌體內碳氮源代謝的平衡，影響了菌體的生理狀態，pH值容易偏低，從而不利于紅霉素的合成。因此，進一步實驗可采取在基本培養基上添加過量的氮源并測定更多的代謝產物如紅霉素合成前體物質等，更全面地考察紅霉素的產量與氮源添加的關系以及相關氮源代謝阻遏等機理。

2.3 討論

傳統的分子生物學手段在抗生素合成及相應菌株的研究中遇到了瓶頸[10]，基因組、轉錄組、代謝組等組學技術以全局性闡明鏈霉菌等體內代謝調控網絡的方式應用越來越受到重視，但受限于微生物的復雜性和對龐大數據進行有效挖掘，還需要對組學分析結果進行分子生物、發酵等實驗的探索驗證[11]。

本研究以實驗室之前轉錄組基因芯片實驗為指導，通過不同氮源添加實驗，測定了在不同氮源條件下，紅色糖多孢菌野生菌和高產菌體內與氮源代謝相關的氨基酸、有機酸的含量，展示了不同菌株內的代謝情況。在銨鹽、谷氨酰胺過量時，高產菌株有效抑制了對其吸收，但體內的谷氨酸、谷氨酰胺等處于高水平，可能是增強了谷氨酰胺合成酶(GS)等的催化活性的結果。并且在高產菌株中，與初級代謝相關的有機酸含量明顯低于野生菌株，這也說明高產菌株與野生菌株在代謝上的差異決定了抗生素的合成水平。測定結果與芯片數據分析結果較為吻合，從而說明了芯片實驗的可行性及可信度。這些工作還在進一步展開和優化過程中，但轉錄組等組學水平實驗結果指導后續的發酵和基因工程改造研究，將是系統研究菌株特性和抗生素合成的有效手段。

3 結論

通過測定4種單一氮源培養條件下的野生模式菌(M菌)和高產菌(A菌)體內的有機酸和氨基酸含量來比較其代謝情況。結果表明，在同一菌株內及不同菌株間，與氮源代謝直接相關的α-酮戊二酸、谷氨酸、谷氨酰胺的含量和與碳源代謝相關的有機酸如蘋果酸、檸檬酸的含量在不同的培養基內呈現相反的趨勢。

參考文獻：

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