转录组学分析容氧对枯草芽孢产核黄素的影响及调控

容氧是微生物发酵调控过程中非常重要的一个因素，容氧可以影响微生物细胞的生长，代谢和目标产物的生产。因此对容氧水平的优化和控制是发酵工艺过程控制的非常重要的手段。在开展优化控制前，我们首先要明白容氧是怎么样影响了产物的生成。

一、实验设计

摇瓶水平通过控制转速在120rpm，160rpm，200rpm来分别控制不同的容氧。

发酵罐水平：12h前控制容氧在30%，然后分别控制30%的高容氧水平和10%的低容氧水平。

样品 C1:30%容氧控制第12h取样。

样品C2:10%容氧水平第14h取样。

样品C3:10%容氧水平第16h取样。

分别研究不同容氧水平对枯草芽孢杆菌的生长、生产以及转录组水平的影响。

二、实验结果

（1）容氧降低了枯草芽孢杆菌的生物量和核黄素的生产水平

分别在摇瓶和发酵罐中研究了容氧水平对菌体生长和核黄素表达的影响，研究表明低容氧限制了微生物的生长和核黄素的表达。摇瓶水平以不同的转速控制容氧，在发酵罐中，进入对数期时（12h后），通过转速控制不同的容氧。

（2）转录组分析容氧对微生物的影响

C2和C1相比，286个基因上调，1342 个基因下调，C3和C1相比，803个基因上调，230个基因下调。

低溶氧限制了核黄素前体物质合成途径

核黄素的合成始于5-磷酸核酮糖和GTP，它们通过从头嘌呤生物合成途径在细胞中形成。转录组和RTPRC分析该途径的相关酶的转录水平在C2和C3中都有不同程度的下调。因此，在低DO条件下，嘌呤合成基因的下调限制了前体的供应，从而导致核黄素产量的减少。在低容氧水平，嘌呤抑制因子PurR，转录水平上调，同样抑制核黄素的合成途径。

低容氧通过影响TCA循环来影响菌体的生长。

低容氧通过影响氮源代谢影响生长和核黄素的合成

GlnR 和 TnrA 是枯草芽孢杆菌中两个氮源代谢全局调控因子。GlnR通常抑制铵态氮同化所需的基因或操纵子，如glnRA操纵子。

当细胞内氮受限时，TnrA通过激活或抑制氮相关基因来增加浓度。TnrA能激活硝态氮、尿素利用的相关基因。

转录组分析显示，在低容氧条件下GlnR和TnrA转录水平上调。并进一步通过荧光蛋白报告基因加以证明。结果表明枯草芽孢杆菌在低容氧条件下会影响氮源的代谢。

（3）进一步分析氮源代谢、低容氧和核黄素合成之间的关系

通过在不同的容氧供给和不同的铵根离子浓度供给下研究两者对生长(A)和核黄素合成（B）的影响。研究表明，容氧对生长和核黄素合成有较大的影响，低溶氧限制生长和核黄素合成。增加铵根离子较不加铵根离子能获得更好的生长和表达效果，且和铵根离子浓度呈现正相关（较低容氧除外）。

进一步通过过表达GlnR 和 TnrA 两个基因来研究其对发酵性能的影响，表明敲除两个基因更有利于核黄素的表达。

进一步为了解决氧气的限制，将VHb 基因在菌体内通过glnR 基因启动子进行异源表达，结果表明通过重组表达VHb 基因可有效缓解容氧限制的问题。

这些结果表明，通过降低氮代谢调节相关基因(glnR和tnrA)的表达和嘌呤抑制，实现vgb表达的动态调控，可以有效消除微生物发酵过程中遇到的DO限制问题，显著增加核黄素的产量，最终产量提高了45.5%。

三、结论

该论文通过转录分析发现了glnR和tnrA两个氮源代谢相关基因并加以调控，并和其他手段结合提高了产量。但是并没有解释清楚glnR和tnrA影响核黄素表达的机理。

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文章来源：微生物发酵微信公众号，发酵展周彬整理发布！