Med hjälp av genetisk manipulation och avancerade biofysiska verktyg har ett internationellt forskarlag fått oväntad insikt i hur en bakterie tar upp socker som härrör från växtråvara.

Deras resultat publicerades den 7 september i mBio .

"Effektivt sockerupptag är avgörande för mikrobiella cellfabriker, så sockertransportörer är viktiga mål för metabolisk ingenjörskonst och syntetisk biologiutveckling av industriella mikroorganismer", säger medkorrespondent författare Prof. Cui Qiu från Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) från den kinesiska vetenskapsakademin (CAS).

Bakterien, Clostridium thermocellum, har länge varit en ledande utmanare inom hållbar industriell produktion av biobränslen. Även om hur den industriella mikroorganismen C. thermocellum tar upp sockerarter har varit av stort intresse i många år och fem potentiella sockertransportörer upptäcktes 2009, har svårigheter med genmanipulation i denna bakterie begränsat funktionell validering.

Metabolomics-gruppen vid QIBEBT under ledning av Cui har utvecklat en mängd olika verktyg som kan genmanipuleras i C. thermocellum. Dessa verktyg inkluderar cell ett elektroporationsinstrument, en snabb genknockoutteknik för termofila bakterier (Thermotargetron-teknik) och ett exakt genomredigeringssystem, som gör det möjligt för forskarna att analysera vilka gener som producerar vilka fysiska och funktionella förändringar i bakterier, vilket informerar om hur bakterien går sönder ner lignocellulosa, huvudkomponenten i växtcellväggar, till sockertyper som kan användas för att producera etanol.

Genom att kombinera dessa genetiska tillvägagångssätt och olika biofysiska tekniker identifierade forskarna transportörerna som kallas B och A som solotransportörer av cellodextrin respektive glukos bland de fem potentiella sockertransportörerna i C. thermocellum. Glukos är en enkel sockermolekyl, medan cellodextrin består av flera bundna molekyler. "Dessa fynd är ganska oväntade eftersom många mikroorganismer är kända för att ha en mångfald överflödiga sockertransportörer för sin huvudsakliga kolkälla", säger Cui.

Istället för flera transportörer för att samla och flytta sockerarter som andra mikroorganismer, använder C. thermocellum främst transportör B för att ta upp cellodextriner som härrör från cellulosa. Den här stammen använder också transportör A för att ta upp glukos och använda den, men först efter att den har anpassats på rätt sätt, enligt motsvarande författare Prof. Feng Yingang från QIBEBT.

"Vi identifierade också en isolerad gen, 2554, som den saknade underenheten i transportör B-genklustret," sa Feng och noterade att fyndet förklarar hur transportör B:s mekanism kan hjälpa till att utnyttja lignocellulosabiomassa. "Dessutom visade vi att transportör B kopplar ihop med uttrycksregleringen av cellulosomer, proteinkomplexen som är ansvariga för att producera socker genom att bryta ned växtcellväggar."

Detta fynd utökar tidigare forskning inom området, vilket tyder på att cellulosomes uttryck regleras av en grupp sigma/anti-sigma-faktorer med substratavkännande och transkriptionsaktivitet, samtidigt som det är kopplat till sockertransport. Ändå klargjorde forskarna inte helt den underliggande mekanismen för denna sockertransportör-cellulosomkoppling, och upptäckten av dess existens stärker ytterligare det potentiella tillämpningsvärdet av C. thermocellum i bioomvandling av lignocellulosa.

"Även om de fysiologiska och evolutionära fördelarna med de restriktiva transportörerna fortfarande är okända, tyder dessa fynd på att det kan vara lättare att konstruera sockertransportörer i C. thermocellum än i arter med flera överflödiga transportörer," sa Cui.

Forskarna sa att de planerar att fortsätta arbeta för att förstå de viktigaste molekylära mekanismerna för bakterien, som de kommer att använda för att informera om utvecklingen av bioenergi och syntetisk biologiteknik. + Utforska vidare

Bakteriemembrantransportör hjälper patogener att gömma sig från immunsystemet