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蛋白组学洞察:CitT缺失对苎麻生物脱胶过程中代谢敏感性的影响

Proteomic Insights into citT-Deletion Induced Metabolic Sensitivity in Bio-Degumming of Ramie Fibers by Bacillus subtilis

Qi Yang, Yuqin Hu, Xiangyuan Feng, Guoguo Xi, Ke Zheng, Zhenghong Peng,
Fengbo Han, Lifeng Cheng & Shengwen Duan (2024) , Journal of
Natural Fibers, 21:1, 2334414, DOI: 10.1080/15440478.2024.2334414
To link to this article: https://doi.org/10.1080/15440478.2024.2334414


苎麻是一种在纺织工业中具有多种用途的功能性生物材料,被称为“中国草”。枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)对苎麻纤维进行的脱胶过程受到应答调节蛋白CitT的调控,CitT是CitS/CitT两组分系统的一部分,专门作用于果胶成分的降解。本研究通过比较蛋白组分析,探究了CitT蛋白缺失引起的代谢网络敏感性,以及在苎麻纤维生物脱胶过程中的调控机制。研究结果表明,原始菌株和突变菌株中检测到29种差异表达蛋白,主要涉及跨膜运输系统、两组分系统和氨基酸代谢。本研究首次揭示了CitT蛋白在苎麻纤维生物脱胶中的调控功能,并为针对性构建脱胶工程菌株提供了重要的科学和技术基础。

苎麻生物脱胶的重要性与挑战

苎麻纤维是纤维素的重要组成部分,自古以来就被广泛用于多种用途。然而,原始苎麻纤维因含有大量非纤维素化合物(通常称为胶质),需要通过“脱胶”处理来去除。传统的化学脱胶方法虽然节省时间,但存在污染环境和高能耗的问题。因此,探索新技术以提高苎麻脱胶质量并减少环境污染变得迫切和有益。

CitT蛋白在生物脱胶中的作用

枯草芽孢杆菌是苎麻纤维脱胶的主要微生物资源。先前的研究表明,CitS/CitT两组分系统中的应答调节蛋白CitT特异性调控果胶降解途径。然而,CitT调控果胶降解途径的分子机制尚不清楚。

研究方法与发现

本研究通过蛋白组分析探索了两组分系统应答调节蛋白CitT在苎麻脱胶过程中对果胶降解的调控机制。结果表明,CitT缺失导致组氨酸生物合成途径的酶下调,精氨酸降解途径的酶上调。此外,CitT蛋白还影响了跨膜运输系统,并可能与LiaS/LiaR和DctS/DctR两组分系统协同调控生物脱胶过程。

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图1. 原始菌株和突变菌株脱胶后的苎麻纤维扫描电镜(SEM)分析。

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图2. 生物脱胶系统中单糖组成和含量的高效液相色谱(HPLC)分析。

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图3. CitT基因敲除突变菌株中差异表达蛋白(DEPs)的蛋白-蛋白相互作用网络分析。

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图4. DEPs参与的代谢途径。红色或绿色名称表示在突变菌株中上调或下调的蛋白。


结论与科学技术基础

本研究通过定量蛋白组方法全面分析了CitT应答调节蛋白在苎麻纤维生物脱胶过程中的作用,为构建目标工程菌株在苎麻纤维生物脱胶中的应用提供了重要的科学依据。研究结果不仅增强了我们对CitT蛋白在果胶降解过程中代谢调控功能的理解,而且为未来的研究提供了新的方向,包括通过ChIP-Seq和EMSA等方法对不同果胶酶的具体调控功能进行更深入的研究。

本研究得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、长沙市自然科学基金、湖南省科技创新计划、中国农业研究体系、中国农业科技创新项目、新疆自治区科技支撑项目、中央公益性科研院所基本科研业务费和IBFC岳麓青年基金的资助。所有作者共同构思和设计了研究,进行了蛋白组学研究、qRT-PCR分析,并起草了手稿。


概述

文章探究了枯草芽孢杆菌的CitT蛋白缺失引起的代谢网络敏感性以及其在苎麻生物脱胶中的调控机制。通过比较蛋白质组学分析,发现29个差异表达蛋白,主要涉及跨膜转运系统、双组分系统和氨基酸代谢过程。缺少CitT蛋白导致组氨酸生物合成途径中酶的下调和精氨酸降解途径中酶的上调,首次揭示CitT蛋白在苎麻生物脱胶中的调控作用,为定向构建工程菌株提供科技依据。

背景

苎麻纤维是一种天然纤维,在纺织工业中具有广泛的应用潜力,被称为“中国草”。苎麻纤维的提取需要通过一个称为脱胶的过程来去除其表面紧密黏附的非纤维素材料(如半纤维素、果胶、木质素和蜡等)。本论文探讨了使用枯草芽孢杆菌进行苎麻生物脱胶过程中,CitS/CitT双组分系统的应答调节蛋白CitT的作用。通过比较蛋白质组学分析,研究了CitT蛋白缺失对代谢网络敏感性的影响,旨在深入了解其在生物脱胶过程中的调控机制。结果显示,缺乏CitT蛋白会影响到苎麻脱胶中的跨膜转运系统、双组分系统和氨基酸代谢等多个过程。这项研究首次全面揭示了CitT蛋白在苎麻生物脱胶中的调控作用,并为定向构建苎麻脱胶工程菌株提供了重要科学技术依据。

方法

根据用户提供的文件中的研究部分,论文采用的研究方法可以被归纳为实验研究定量研究。接下来,我会详述这一研究方法的应用,并囊括论文在这个方法上的全面研究。

实验研究与定量研究

实验研究和定量研究在此论文中的应用体现在对苎麻纤维生物脱胶过程的深入分析上。具体研究步骤分为以下几个部分:

材料准备与处理

  • 实验材料:选用苎麻种类为“中竹1号”,手工剥离纤维并完全晾干,确保无霉变。
  • 实验菌株:使用B. subtilis subsp. subtilis strain 168 ΔeglS作为实验菌株,并构建了citT缺失株作为变异株,这些菌株用于苎麻纤维的生物脱胶。
  • 实验流程:按照先前描述执行两种菌株的培养和苎麻纤维的脱胶过程。

实验分析方法

  • HPLC分析:对经脱胶处理后的菌液和发酵液,采用高效液相色谱法(HPLC)分析糖类成分。
  • 蛋白质酶解与串联质谱标记(TMT 标记):收集的蛋白样品通过酶解反应获得肽段,进而通过串联质谱技术进行标记分析。
  • 反相液相色谱(RPLC)分离与质谱(MS)检测:通过RPLC-MS技术对处理后样本中的蛋白质进行定量分析。
  • 蛋白质组学分析:通过定量蛋白质组学技术探索在苎麻纤维脱胶过程中由CitT蛋白质调控的蛋白质表达变化。

结果分析

  • 蛋白质组学分析结果:鉴定总共2739个蛋白,其中14个蛋白上调,15个蛋白下调。将这些变化的蛋白质推断为直接或间接地受到CitS/CitT二元系统的调控。
  • 蛋白质-蛋白质相互作用网络分析:通过STRING数据库解析与途径分析提供对CitT调控蛋白之间功能关联或相互作用的更深入了解。

结论

此研究的实验研究与定量研究方法合理有序,从实验材料准备、过程操作到数据分析与解释,整个过程科学严谨,充分展示了苎麻纤维生物脱胶过程中CitT蛋白的关键调控作用以及相关蛋白质的表达变化。通过实验研究与定量研究并用,文章有效地阐述了生物脱胶过程中微生物及其代谢产物的作用机制,为理解微生物脱胶提供了详实的蛋白质组学信息,对于开发高效的生物脱胶工艺具有重要的参考价值。

结论
  • 背景:探索枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)中CitS/CitT双组分系统的应答调节蛋白CitT缺失对苎麻生物脱胶过程的影响。
  • 方法
    • 采用定量蛋白质组学分析方法。
    • 比较原始菌株和缺失CitT蛋白的突变菌株。
  • 结果
    • 发现29个差异表达蛋白(DEPs),涉及氨基酸代谢、跨膜转运系统及双组分系统等。
    • 缺失CitT导致组氨酸生物合成途径酶表达量的下调和精氨酸降解途径酶的上调。
    • CitT蛋白缺失还影响果胶降解酶PelA的表达,与果胶降解率的下降相符。
  • 结论:CitT蛋白对苎麻脱胶过程中的代谢调控具有重要作用,其缺失影响了多个代谢途径,尤其是果胶降解过程。本研究为通过定向构建工程菌株以优化苎麻生物脱胶提供了科学依据

蛋白组学洞察:CitT缺失对苎麻生物脱胶过程中代谢敏感性的影响

 

Proteomic Insights into citT-Deletion Induced Metabolic Sensitivity in Bio-Degumming of Ramie Fibers by Bacillus subtilis

 


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