结冷胶的生物合成及其应用研究综述_陈佳乐.pdf

第4 0卷第3期2 0 2 3年6月河 北 省 科 学 院 学 报J o u r n a l o f t h e H e b e i A c a d e m y o f S c i e n c e sV o l.4 0 N o.3J u n.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 3-0 1-2 9基金项目:河北省中央引导地方科技发展资金(2 2 6 Z 2 8 0 3 G);河北省高等学校科学技术研究项目资助(QN 2 0 2 2 1 0 9)作者简介:陈佳乐(1 9 9 8),女,河北保定人,硕士研究生,研究方向:分子细菌学.通信作 者:李 清扬(1 9 9 2),女,河 北石 家庄 人,博 士,讲 师,研 究方 向:微 生物 代谢 工程、微生 物细 胞 工 厂.E-m a i l:5 3 0 4 1 3 4 1 1q q.c o m文章编号:1 0 0 1-9 3 8 3(2 0 2 3)0 3-0 0 4 5-0 8结冷胶的生物合成及其应用研究综述陈佳乐1,水小溪1,赵宝华1,张 禹2,焦天悦1,刘旭冉1,李清扬1(1.河北师范大学 生命科学院,河北 石家庄 0 5 0 0 1 0;2.河北鑫合生物化工有限公司,河北 新河 0 5 1 7 3 0)摘 要:结冷胶是由少动鞘氨醇单胞菌有氧发酵合成的一种微生物多糖,凭借其优良的理化性质广泛应用在食品、医药等多个领域。综述了结冷胶生物合成途径、结冷胶高产菌株的改造及结冷胶的应用前景。主要分析了结冷胶生物合成过程中糖核苷酸前体的合成、四糖单元的组装、聚合和结冷胶的输出,以及所涉及到的关键基因及其功能,论述了结冷胶生产菌株构建手段,同时对结冷胶的应用进行了总结和展望。以期为结冷胶的工业化生产和应用提供科学参考。关键词:结冷胶;少动鞘氨醇单胞菌;合成途径中图分类号:T Q 9 2 9.3 文献标识码:AR e v i e w o n b i o s y n t h e s i s m e c h a n i s m a n d a p p l i c a t i o n o f g e l l a n g u mC H E N J i a l e1,S H U I X i a o x i1,Z H A O B a o h u a1,Z H A N G Y u2,J I A O T i a n y u e1,L I U X u r a n1,L I Q i n g y a n g1(1.C o l l e g e o f L i f e S c i e n c e s,H e b e i N o r m a l U n i v e r s i t y,S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 1 0,C h i n a;2.H e b e i X i n h e B i o c h e m i c a l C o.,L t d.,X i n h e H e b e i 0 5 1 7 3 0,C h i n a)A b s t r a c t:G e l l a n g u m i s a m i c r o b i a l p o l y s a c c h a r i d e s y n t h e s i z e d b y a e r o b i c f e r m e n t a t i o n o f S p h i n g o m o n a s p a u c i m o b i l i s.I t i s w i d e l y u s e d i n v a r i o u s f i e l d s s u c h a s f o o d a n d m e d i c i n e d u e t o i t s e x c e l l e n t p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s.I n t h i s p a p e r,t h e b i o s y n t h e t i c p a t h w a y o f g e l l a n g u m,m o d i f i c a t i o n o f g e l l a n g u m h i g h-y i e l d s t r a i n a n d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s o f g e l l a n g u m a r e r e v i e w e d.T h e k e y g e n e s a n d t h e i r f u n c t i o n s i n v o l v e i n t h e s y n t h e s i s o f s u g a r n u c l e o t i d e p r e c u r s o r s,a s s e m b l y a n d p o l y m e r i z a t i o n o f t e t r a s a c c h a r i d e u n i t s a n d t h e o u t p u t o f g e l l a n g u m w e r e m a i n l y d e s c r i b e d.T h e m e a n s o f c o n s t r u c t i n g s t r a i n s f o r t h e p r o d u c t i o n o f g e l l a n g u m i s d i s c u s s e d,a n d t h e a p p l i c a t i o n o f g e l l a n g u m i s s u mm a r i z e d a n d p r o s p e c t e d.I t i s e x p e c t e d t o p r o v i d e s c i e n t i f i c r e f e r e n c e f o r t h e i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f g e l l a n g u m.K e y w o r d s:G e l l a n g u m;S p h i n g o m o n a s p a u c i m o b i l i s;S y n t h e t i c p a t h w a y0 引言结冷胶是一种由少动鞘氨醇单胞菌在有氧发酵条件下产生的胞外多糖,它是由葡萄糖、葡萄糖醛酸、鼠DOI:10.16191/ki.hbkx.2023.03.009河北省科学院学报2 0 2 3年第4 0卷李糖按照211的比例连接构成的线性四糖重复单元聚合体。结冷胶的平均相对分子质量为5 0 0 k D a,在溶液中呈双螺旋结构1。结冷胶干粉呈白色,具有不易溶于冷水和酒精的特点,其优势在于无毒、食用安全并且具有可降解等环保特性。结冷胶溶于水后,分子间会自动聚集借助分子间的氢键形成双螺旋的稳定结构,便于截留水分子而产生凝胶现象2,而结冷胶的流变性则主要受酰基含量的影响。结冷胶作为一种新型的微生物胞外多糖用途非常广泛,可作为增稠剂、凝结剂、悬浮剂和成膜剂等应用到食品、医药、化工等多个领域。与其它同类产品相比,结冷胶的性能更加稳定,凝结度更高、透明度更高、成胶用量更少3,并且有良好的复配性4。结冷胶在p H 21 0的范围内均能保持稳定,远宽于黄原胶p H 4 8的耐受范围5。结冷胶在9 0 时还能保持较高的凝胶强度和黏度,而黄原胶在9 0 时只保留了原来黏度的2 6%6。在同等凝胶强度下,结冷胶的用量远低于卡拉胶和琼脂,仅为后者用量的1/4,甚至更低。由于结冷胶是通过微生物发酵而得,不像植物胶会受气候、地域等自然因素的影响,产量稳定,并且凭借其独特的性能和潜在的优势已发展成为最具市场竞争力的微生物多糖2。本文对结冷胶生物合成途径、结冷胶高产菌株的改造及结冷胶的应用研究进展进行综述,以期为结冷胶的研究及应用提供参考。1 结冷胶的生物合成1.1 结冷胶的合成途径目前,微生物发酵法是结冷胶生产中最常见的方法。工业上最早采用的结冷胶生产菌株为伊乐假单胞菌(P s e u d o m o n a s e l o d e a),后被确认为少动鞘氨醇单胞菌(S p h i n g o m o n a s p a u c i m o b i l i s)。该菌属为革兰氏阴性菌,专性需氧,杆状,只有一根鞭毛,在固体培养基上可形成黄色圆形粘液状的菌落。该菌自1 9 8 2年首次发现以来,已广泛应用于结冷胶的工业化发酵生产6。H a r d i n g等人7完成了S.p a u c i m o b i l i s AT C C 3 1 4 6 1的结冷胶合成基因簇的测序工作,发现结冷胶的合成与多糖S-8 8的合成途径非常相似,并且具有很高的同源性,这为研究结冷胶的合成途径提供了方便。S.p a u c i m o b i l i s AT C C 3 1 4 6 1合成结冷胶的过程涉及到多基因的共同作用,合成途径较为复杂。结冷胶的生物合成途径包括三个步骤:糖核苷酸前体的合成、四糖单元的组装、四糖单元的聚合与结冷胶的输出,如图18所示。图18 结冷胶生物合成基因簇及其合成途径 64第3期陈佳乐等:结冷胶的生物合成及其应用研究综述 1.1.1 糖核苷酸前体的合成构成结冷胶基本单元的三种糖核苷酸前体分别是磷酸二尿苷(UD P)-葡萄糖、UD P-葡萄糖醛酸和脱氧胸苷二磷酸(d T D P)-鼠李糖。这三种糖核苷酸前体的合成均需要以葡萄糖-1-磷酸作为底物,而催化葡萄糖-1-磷酸合成的酶是一种双功能蛋白 P g mG,该蛋白同时具有葡萄糖磷酸变位酶(P GA)活性和磷酸甘露聚糖变位酶(PMM)活性。蛋白P g mG首先催化葡萄糖-6磷酸生成葡萄糖-1-磷酸9,随后U g p G催化葡萄糖-1-磷酸生成UD P-葡萄糖,蛋白U g d G催化UD P-葡萄糖生成UD P-葡萄糖醛酸,而蛋白Rm l A、Rm l B、Rm l C、Rm l D催化葡萄糖-1-磷酸最终合成T D P-鼠李糖1 0。1.1.2 四糖单元的组装合成的UD P-葡萄糖、UD P-葡萄糖醛酸和d T D P-鼠李糖在基因g e l B、g e l K、g e l L、g e l Q编码的糖基转移酶的参与下按照211的比例逐步组装成四糖单元(图1)。a.蛋白G e l B先将UD P-葡萄糖连接到C5 5-脂质体上;b.蛋白G e l K再将UD P-葡萄糖醛酸连接到与脂质体相连的UD P-葡萄糖上1 9;c.随后蛋白G e l L将另一分子的UD P-葡萄糖连接到UD P-葡萄糖醛酸上;d.最后蛋白G e l Q将d T D P-鼠李糖连接到UD P-葡萄糖上。此外,结冷胶四糖单元的组装还包括乙酰基和甘油酰基两种侧链的添加。其中,催化乙酰基加成的乙酰基转移酶已经确定,由基因o a f A编码1 1;但甘油酰基加成所涉及到的基因尚未研究清楚。1.1.3 四糖单元的聚合与结冷胶的输出近年来,人们对多糖生物合成基因簇的测序遗传研究越来越深入,总结出了三种微生物多糖的聚合和输出方式1 2,1 3 A B C转运蛋白依赖性途径、W z y依赖性途径和合酶依赖途径。研究表明少动鞘氨醇单胞菌中四糖单元的聚合和结冷胶的输出主要通过W z y依赖性途径8:首先跨膜蛋白W z x将新的四糖单元从内膜的细胞质侧转运到周质空间,然后聚合酶W z y将上述四糖单元从一个脂质载体连续转移到另一个脂质载体上四糖单元的还原端。在少动鞘氨醇单胞菌中,四糖单元聚合的相关基因为g e l S和g e l G,它们所编码的蛋白G e l S和G e l G与W