一种新型抗逆基因的功能及机制研究
文献综述
微生物细胞工厂[1]广泛用于生产酸性物质，如有机酸和氨基酸。但是在工业生产中，由于生产量大，细胞利用率高的原因，导致细胞生产的酸性代谢产物积累严重，酸胁迫使得细胞体内酸性增加，会引起细胞内DNA损伤和必需的酶变性，导致细胞代谢活性降低，生产效率下降，产量降低[2]。经研究表明，虽然在培养基中加入一种碱基可以缓解酸胁迫，但是在工业生产中，仍然认为具有耐酸菌株的发酵是更有效且更具成本效益的。
Liu等[3]阐述了细菌的几种常见耐酸机制。其中最常见的机制是脱羧酶系统，生物膜形成和细胞密度[3]，F1–F0–ATPase质子泵，大分子和碱的保护或修复生产。Liu和Lu的文章[3, 4]都表明了谷氨酰胺酶和脱羧酶系统在大肠杆菌耐酸中的重要作用。
大肠杆菌被广泛应用于工业发酵，是重要的微生物工程菌。人类的消化道具有高酸性的环境，pH低于1.5的胃可以防止微生物的污染。[5]而大肠杆菌菌株需要在这种高酸性的环境中生存。因此先天的酸适应系统对于大肠杆菌的生存格外重要。现已知大肠杆菌具有多种抗酸机制[3]（Acid Resistance，AR），被葡萄糖抑制的氧化AR系统（AR1），谷氨酸脱羧酶系统（Glutamate decarboxylase，AR2），精氨酸脱羧酶系统（Arginine decarboxylase，AR3），赖氨酸脱羧酶系统（Lysine decarboxylase，AR4），鸟氨酸脱羧酶系统（ODAR）。Aquino等[5]结合了ChIP-Seq和基因表达分析，以实验方式绘制了四个转录因子（nac，ntrC，ompR和csiR）的调控相互作用，确定了所有先前在体内证实的直接相互作用。实验表明nac和csiR直接调节AR，并导致一个监管网络模型，其中所有四个TF参与协调耐酸性，谷氨酸代谢和氮代谢。由此可见大肠杆菌在抗酸过程中，并不是单一的抗酸机制在发挥作用，而是所有的抗酸基因，抗酸系统共同参与，协调作用。面对不同的酸胁迫，以其中一种或几种抗酸机制为主导，剩余抗酸机制辅助参与，协调作用，保证大肠杆菌在人体或者工程实验中生存。
为了更清晰的了解基因工程技术对于大肠杆菌耐酸性的影响，Gao等[2]给予H-NS基因敲除菌及野生型大肠杆菌不同pH值（4.5和2.5）的酸胁迫，然后对大肠杆菌进行生长分析，酸休克分析，GAD活性测试，GABA测量，氨释放法分析以及转录组分析。实验结果表明H-NS的敲除能提高大肠杆菌的耐酸性，H-NS敲除菌株生长状况较野生型大肠杆菌在酸性环境下显著提高，转录组学分析显示H-NS的敲除可显著提高大肠杆菌耐酸AR2途径GadA/B、周质空间分子伴侣HdeA/B的表达水平。
众多科学家的研究表明，大肠杆菌的耐酸系统是由多种抗酸基因协调控制的。有的机制我们已经有所了解，但是有的抗酸机制其运作方式仍然是个谜。对于大肠杆菌抗酸系统的研究一直在进行，得到的成果也是斐然的。但是我们不曾了解的功能与机制也很多，研究其作用，对于我们筛选优秀的突变体，构建合格的优秀的生产工程菌，用于更高效率的生产生活是十分重要的。
大肠杆菌在作为工程菌进行生产时，常常受到代谢产物例如氨基酸的胁迫。
