热纤梭菌通过分泌一种多酶复合体——纤维小体——将木质纤维素中的多糖水解为以纤维寡糖为主的可溶性糖，进而将其摄入胞内为细胞提供碳源和能量。2009年以色列研究者在热纤梭菌基因组中发现了5个转运蛋白基因簇，推测它们可能负责纤维寡糖、葡萄糖和昆布二糖的转运，但缺乏明确的功能验证实验。由于热纤梭菌的遗传操作较为困难，在后续的十多年里国际上除了一些组学分析涉及到这些转运蛋白，一直未能清晰阐明热纤梭菌的糖类摄取机制。代谢物组学研究组长期以来针对热纤梭菌开展研究，前期突破了热纤梭菌的遗传操作瓶颈，开发了多种可用于热纤梭菌的遗传操作工具，包括快速的基因打靶系统和精准的基因组无疤编辑系统，为深入研究热纤梭菌生理和代谢的分子机制提供了有效的手段。在此基础上，研究人员深入研究了热纤梭菌的糖类摄取机制。
研究人员首先构建了5个可能的寡糖转运蛋白基因簇的敲除和回补突变株，通过生长表型实验表明转运蛋白B是唯一的纤维寡糖转运蛋白，而转运蛋白A是唯一的葡萄糖转运蛋白。研究人员又进一步使用等温滴定量热（ITC）、核磁共振（NMR）滴定技术和X-射线晶体衍射技术，测定了转运蛋白的底物结合亚基与各种糖类的相互作用并从结构上阐明了转运蛋白A和B特异性结合葡萄糖和纤维寡糖的机制。不仅如此，研究人员还鉴定出一个孤立的基因2554是转运蛋白B基因簇中缺失的ATP酶亚基基因，补全了这个唯一的纤维寡糖转运蛋白的全部组分。前期研究表明热纤梭菌纤维小体的表达主要受到一类特殊的Sigma/Anti-sigma因子的调控，本研究中研究人员发现转运蛋白B的敲除会导致细胞表面纤维小体凸起的显著减少，且纤维寡糖对纤维小体表达的诱导作用消失，表明转运蛋白B与纤维小体的表达调控之间存在偶联关系，这为纤维小体的表达调控机制研究注入了新的内容。
糖类转运蛋白是工业微生物进行代谢工程改造和合成生物学开发的重要靶点，揭示工业微生物的糖类摄取机制具有重大的潜在应用价值。热纤梭菌因具有独特的纤维小体体系而在木质纤维素生物转化中具有巨大的潜在应用价值，同时作为特殊的嗜热底盘细胞在合成生物学开发中也具有应用潜力。该项研究阐明了热纤梭菌的寡糖和葡萄糖摄取机制，发现了寡糖摄取与纤维小体的表达调控的偶联关系，不仅加深了人们对热纤梭菌的生理和代谢机制的认识，更有助于促进基于热纤梭菌和纤维小体的生物能源技术和合成生物学技术的开发。
该项研究由青岛能源所代谢物组学研究组完成，博士研究生颜飞、东升副研究员和刘亚君研究员为论文的共同第一作者，崔球研究员和冯银刚研究员为论文的通讯作者。以色列Weizmann科学研究所的Edward A. Bayer教授和Technion技术研究所的Yuval Shoham教授、中科院天津工业生物技术研究所的游淳研究员也对该研究做出了重要贡献。该研究得到了国家自然科学基金委、山东能源研究院、中科院、青岛市等多个基金项目的支持。
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)
