熱纖梭菌通過分泌一種多酶復合體——纖維小體——將木質纖維素中的多糖水解為以纖維寡糖為主的可溶性糖，進而將其攝入胞內為細胞提供碳源和能量。2009年以色列研究者在熱纖梭菌基因組中發現了5個轉運蛋白基因簇，推測它們可能負責纖維寡糖、葡萄糖和昆布二糖的轉運，但缺乏明確的功能驗證實驗。由于熱纖梭菌的遺傳操作較為困難，在后續的十多年里國際上除了一些組學分析涉及到這些轉運蛋白，一直未能清晰闡明熱纖梭菌的糖類攝取機制。代謝物組學研究組長期以來針對熱纖梭菌開展研究，前期突破了熱纖梭菌的遺傳操作瓶頸，開發了多種可用于熱纖梭菌的遺傳操作工具，包括快速的基因打靶系統和精準的基因組無疤編輯系統，為深入研究熱纖梭菌生理和代謝的分子機制提供了有效的手段。在此基礎上，研究人員深入研究了熱纖梭菌的糖類攝取機制。
研究人員首先構建了5個可能的寡糖轉運蛋白基因簇的敲除和回補突變株，通過生長表型實驗表明轉運蛋白B是唯一的纖維寡糖轉運蛋白，而轉運蛋白A是唯一的葡萄糖轉運蛋白。研究人員又進一步使用等溫滴定量熱（ITC）、核磁共振（NMR）滴定技術和X-射線晶體衍射技術，測定了轉運蛋白的底物結合亞基與各種糖類的相互作用并從結構上闡明了轉運蛋白A和B特異性結合葡萄糖和纖維寡糖的機制。不僅如此，研究人員還鑒定出一個孤立的基因2554是轉運蛋白B基因簇中缺失的ATP酶亞基基因，補全了這個唯一的纖維寡糖轉運蛋白的全部組分。前期研究表明熱纖梭菌纖維小體的表達主要受到一類特殊的Sigma/Anti-sigma因子的調控，本研究中研究人員發現轉運蛋白B的敲除會導致細胞表面纖維小體凸起的顯著減少，且纖維寡糖對纖維小體表達的誘導作用消失，表明轉運蛋白B與纖維小體的表達調控之間存在偶聯關系，這為纖維小體的表達調控機制研究注入了新的內容。
糖類轉運蛋白是工業微生物進行代謝工程改造和合成生物學開發的重要靶點，揭示工業微生物的糖類攝取機制具有重大的潛在應用價值。熱纖梭菌因具有獨特的纖維小體體系而在木質纖維素生物轉化中具有巨大的潛在應用價值，同時作為特殊的嗜熱底盤細胞在合成生物學開發中也具有應用潛力。該項研究闡明了熱纖梭菌的寡糖和葡萄糖攝取機制，發現了寡糖攝取與纖維小體的表達調控的偶聯關系，不僅加深了人們對熱纖梭菌的生理和代謝機制的認識，更有助于促進基于熱纖梭菌和纖維小體的生物能源技術和合成生物學技術的開發。
該項研究由青島能源所代謝物組學研究組完成，博士研究生顏飛、東升副研究員和劉亞君研究員為論文的共同第一作者，崔球研究員和馮銀剛研究員為論文的通訊作者。以色列Weizmann科學研究所的Edward A. Bayer教授和Technion技術研究所的Yuval Shoham教授、中科院天津工業生物技術研究所的游淳研究員也對該研究做出了重要貢獻。該研究得到了國家自然科學基金委、山東能源研究院、中科院、青島市等多個基金項目的支持。
Fei Yan#, Sheng Dong#, Ya-Jun Liu#, Xingzhe Yao, Chao Chen, Yan Xiao, Edward A. Bayer, Yuval Shoham, Chun You, Qiu Cui*, Yingang Feng*. Deciphering cellodextrin and glucose uptake in Clostridium thermocellum. mBio (2022)
