Met behulp van genetische manipulatie en geavanceerde biofysische tools heeft een internationaal onderzoeksteam onverwacht inzicht gekregen in hoe een bacterie suikers opneemt die zijn afgeleid van plantaardige grondstoffen.

Hun bevindingen werden op 7 september gepubliceerd in mBio .

"Efficiënte suikeropname is cruciaal voor microbiële celfabrieken, dus suikertransporters zijn belangrijke doelen voor metabole engineering en synthetische biologie-ontwikkeling van industriële micro-organismen", zei co-corresponderende auteur prof. Cui Qiu van het Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS).

De bacterie, Clostridium thermocellum, is al lange tijd een van de grootste kanshebbers op het gebied van duurzame industriële productie van biobrandstoffen. Hoewel de manier waarop het industriële micro-organisme C. thermocellum suikers opneemt al vele jaren van groot belang is en in 2009 vijf potentiële suikertransporters werden ontdekt, hebben problemen met genmanipulatie in deze bacterie de functionele validatie beperkt.

De Metabolomics Group van QIBEBT onder leiding van Cui heeft een verscheidenheid aan hulpmiddelen ontwikkeld die in staat zijn tot genmanipulatie in C. thermocellum. Deze hulpmiddelen omvatten een celelektroporatie-instrument, een snelle gen-knock-outtechniek voor thermofiele bacteriën (Thermotargetron-techniek) en een nauwkeurig genoombewerkingssysteem, waarmee de onderzoekers kunnen analyseren welke genen welke fysieke en functionele veranderingen in bacteriën veroorzaken, en informeren hoe de bacterie breekt lignocellulose, het hoofdbestanddeel van plantencelwanden, omzetten in suikersoorten die kunnen worden gebruikt om ethanol te produceren.

Door deze genetische benaderingen en verschillende biofysische technieken te combineren, identificeerden de onderzoekers de transporters die bekend staan ​​als B en A als de solotransporters van respectievelijk cellodextrine en glucose, onder de vijf potentiële suikertransporters in C. thermocellum. Glucose is een eenvoudig suikermolecuul, terwijl cellodextrine meerdere gebonden moleculen omvat. "Deze bevindingen zijn vrij onverwacht omdat bekend is dat veel micro-organismen een groot aantal overtollige suikertransporters hebben als belangrijkste koolstofbron", zei Cui.

In plaats van meerdere transporters om suikers te verzamelen en te verplaatsen zoals andere micro-organismen, gebruikt C. thermocellum voornamelijk transporter B om cellodextrines op te nemen die zijn afgeleid van cellulose. Deze soort gebruikt ook transporter A om glucose op te nemen en er gebruik van te maken, maar alleen nadat het op de juiste manier is aangepast, volgens co-corresponderende auteur prof. Feng Yingang van QIBEBT.

"We identificeerden ook een geïsoleerd gen, 2554, als de ontbrekende subeenheid in het transporter B-gencluster," zei Feng, en merkte op dat de bevinding uitlegt hoe het mechanisme van transporter B kan helpen bij het gebruik van lignocellulosische biomassa. "Bovendien hebben we aangetoond dat transporter B koppelt aan de expressieregulatie van cellulosomen, de eiwitcomplexen die verantwoordelijk zijn voor de productie van suikers door de celwanden van planten af ​​te breken."

Deze bevinding breidt eerder onderzoek in het veld uit dat suggereert dat de expressie van cellulose wordt gereguleerd door een groep sigma / anti-sigma-factoren met substraatwaarneming en transcriptieactiviteit, terwijl het ook gepaard gaat met suikertransport. En toch hebben de onderzoekers het onderliggende mechanisme van deze suikertransporter-cellulosoomkoppeling niet volledig opgehelderd, en de ontdekking van het bestaan ​​ervan versterkt de potentiële toepassingswaarde van C. thermocellum in de bioconversie van lignocellulose.

"Hoewel de fysiologische en evolutionaire voordelen van de beperkende transporters nog onbekend zijn, suggereren deze bevindingen dat het ontwerpen van suikertransporters in C. thermocellum gemakkelijker zou kunnen zijn dan in soorten met meerdere overtollige transporters," zei Cui.

De onderzoekers zeiden dat ze van plan zijn te blijven werken om de belangrijkste moleculaire mechanismen van de bacterie te begrijpen, die ze zullen gebruiken om de ontwikkeling van bio-energie en synthetische biologietechnologieën te informeren. + Verder verkennen

Bacteriële membraantransporteur helpt ziekteverwekkers zich te verbergen voor het immuunsysteem