半个世纪以前,有一种菌类曾因腐蚀军服而令军需官员们头痛,然而现在这种菌已经被运用到工业生产上来,并且在未来将可能成为美国能源部的战略伙伴,通过发展清洁可再生能源、生产生物燃料来促进国家能源安全。
里氏木霉(Trichoderma reesei)的改造归功于科学探索,通过诱导菌的多种变异,从而产生大量生物降解酶。
现在,该菌的第一份基因组草图在一个国际化的研究团队的共同努力下完成,这项成果可以帮助研究认识所发生的突变,从而理解纤维素酶是何时产生并如何大量生成的。该团队由美国能源部联合基因组研究所(DOE JGI)、致力于可再生能源和资源研究的法国应用技术研究中心(French applied research center IFP),以及维也纳技术大学(Vienna University of Technology)组成。
来自太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)的Scott Baker与来自TU Vienna and Antoine Margeot of IFP的Christian Kubicek共同发表了一篇文章,该文章刊登在8月31号的《国家科学研究进展》(Proceedings of the National Academy of Sciences Online Early Edition)杂志的网络版。这篇报道阐明了哪些突变将产生高表达纤维素酶,哪些是无用突变,这将有利于筛选目的菌株。先前发现的三个突变位点让研究人员有了一些思路,然而,相比于里氏木霉(T. reesei)基因组中涉及到的60个基因中的200多个突变来说,这点进展无异于冰山一角。但是研究人员对于酶相关基因的进一步研究已经有了计划。
研究人员首先得到了能高产酶的菌株:使用多种诱变剂轮番处理霉菌,之后从众多细胞系中筛选出纤维素降解酶显著增多的菌株。来自DOE JGI、论文的共同第一作者Wendy Schackwitz表示,为了得到高表达纤维素酶的品系,研究人员将原始菌株先后暴露在两种诱变剂(two rounds of mutagenesis)下,这样得到了品系NG14,之后再经过第三轮诱变,得到品系RUT C30。通过单独对品系NG14和其直系子代RUTC30运用大规模平行测序技术(massively parallel sequencing),研究人员绘制了来自两株表达过量产物T. reesei品系的突变图谱。
该篇文章补充了DOE JGI去年公布的T. reesei 基因组序列结果。研究人员表示将密切关注着像RUTC30这样的原代菌株,来研究后续变异出的可以用于大规模工业生产的品系是如何生成大量纤维素酶却不影响细胞活性的。
Randy Berka是来自世界最大的工业酶生产商丹麦诺维信生物科技公司(Danish bioinnovation company Novozymes)的一名主管,同时也是该研究的作者,他认为T. reesei在生物工业的应用上相当重要性,因为目前绝大多数用于工业化生产纤维素酶的T. reesei品系都是从原代QM6a及其子代中得来的,生产者们可以通过各种各样的方式来获取改进的品系以更经济地生产酶。如果只是人为的对菌的基因组进行修饰或更改,最终即便可以得到纤维素酶,也可能无法正常生长。
利用Illumina公司的第二代测序技术(next generation sequencing technology),Le Crom及其同事获得了RUTC30和NG14株的单端读码区(single end reads),同时Schackwitz同其他研究人员在其他RUTC30株得到了双末端读码区(Paired end reads,由一段短的DNA序列组成,可以任意的结合在另一段片段大小已知但序列未知的DNA序列的3’或5’端,作为一种降低读码区被替换可能的方式)。这种额外的信息使许多可读序列保持,否则难以对齐。通过使用这些信息,DOE JGI研究小组得以挑选出已经插入或删除的很短的DNA序列。
研究人员鉴定出几种新的突变:223单核苷酸突变、15个碱基的插入/缺失多态性、以及更多的18个碱基的缺失。通过将这段单独的序列与参考株的序列进行对比,研究人员指出,为提高纤维素酶产量,NG14和RUT C30已降低了氨基酸的增长率以及乳糖途径的使用。
诺维信公司的研究人员和该项研究合作者Michael Rey认为,通过研究有益改变和负面改变的影响,研究人员就可以了解T. reesei还有多大的改造潜力,从而提高产量,转化成更高的经济效益,如产生足够便宜的酶来生产日益需求的纤维素乙醇,这对T. reesei菌株的产生发展可能是至关重要。(中国酶制剂网www.cnenzyme.com )