酵母菌絮凝基因研究取得系列成果

2010-7-19 10:16 来源: 科学时报
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蛋白酶A缺失及抗老化啤酒酵母工程菌的构建

  6月底,《西安晚报》以《细菌吃淤泥 城河水变清》为题,报道了西安护城河玉祥门到西门清淤示范区内,运用菌种清淤,在1个多月的时间里,让河水重新变清的消息。这显示了微生物在污水治理方面的巨大威力。

  科学家发现一种絮凝基因,把它转入到具有污水处理作用的菌种中,再将得到的菌株用于废水处理,会更容易产生沉淀,从而大大加快污水处理效率。

  在国家自然科学基金的持续支持下,中国科学院微生物研究所研究员张博润研究团队对酵母菌絮凝基因进行了深入研究并取得系列成果。在此基础上,该团队已将絮凝基因用于污水处理,也许用不了多久,这项技术就会在污水处理之中大显身手。

小基因,大作为

  絮凝是将溶液中不需要的成分通过絮状凝集方式去除的过程,在此过程中用到的助剂称为絮凝剂。

  在各种絮凝剂中,微生物絮凝剂因具有快速稳定、使用方便,且不会造成二次污染等优点而受到广泛关注。有报道称,微生物絮凝剂将在不久的将来,取代或部分取代传统的无机高分子和合成絮凝剂,在食品工业、饲料工业、药物研制和污水处理等领域大放异彩。

  絮凝沉降法在水处理中也占有极其重要的地位,国内外的工业废水处理,使用絮凝法的比例约占60%~75%,而自来水工业更是以絮凝法净水为主。目前广泛应用于水处理中的絮凝剂主要有无机高分子絮凝剂(如PAC)和有机高分子絮凝剂(如PAM)。由于无机絮凝剂一般用量较大且可能对环境产生二次污染,如聚合铝系列的铝离子会对人类健康产生危害;而有机高分子絮凝剂的残留物不易被微生物降解,且其单体也有负面效应,因此,研究开发絮凝效果好、易生物降解、无二次污染、对环境安全的微生物絮凝剂具有广阔的市场前景。

  “在两个科学基金项目研究的基础上,我们正在做一个‘院地合作’项目,和浙江省农科院合作,将絮凝基因转入具有污水处理作用的菌种中。这样的工程菌株更容易产生沉淀,它将大大加快污水处理速度。”张博润说,“最早人们发现一些酵母细胞絮凝性很强,利用这一特性会改善发酵工艺,从而产生巨大的经济效益。另一方面,从基础研究来说,絮凝现象还有很多机理性的东西没弄明白,如它是如何产生的,受什么控制,如何来改变菌株的絮凝性等等。”

从小处入手,挖一口“深井”

  20世纪90年代,国外开始微生物絮凝剂的研究并着手商业化。1997年,在国家自然科学基金的资助下,张博润研究团队就开始了酵母菌絮凝基因的相关研究。

  分子生物学近年来发展很快,但在10 年前,研究手段和仪器设备还相当陈旧落后。“我们主要想从絮凝基因这一个小点入手,进行深入挖掘。当时申请到的面上项目才8万元,我们连PCR仪都没有。”张博润说,“尽管我们知道酵母菌中有絮凝基因存在,但怎样把它拿出来还是个问题。”

  在当时的条件下,研究人员只能用肉眼来做实验,在发酵液中看絮凝的强弱,然后进行成千上万次挑选,找出转化子来,放入试管中培养十几个小时。然后再进行上万次的比对……

  4位研究人员花了3个多月时间,最后硬是把转化子找了出来,然后再用现代分子生物学的技术,进行基因序列测定和分析。

  这时,国外报道发现一种新絮凝现象,这种絮凝特性受葡萄糖的抑制。因为此前有研究絮凝基因的基础,该团队敏锐地看到了这种新絮凝基因的应用前景,于是决定对这种新絮凝基因进行研究。

  “当时没有人知道这种新絮凝特性受葡萄糖抑制的现象是否和基因有关,我们就申请了一个和这一新型絮凝特性分子相关的研究。”该团队成员之一、中科院微生物所副研究员何秀萍说,“一开始也是非常困难,第一年基本上没有什么进展。我们有很大压力,也用尽各种方法,最终,我们还是幸运地首先拿到了一个完整的新絮凝基因,并率先做完测序工作。”

  良好的絮凝特性有利于细胞和培养液之间有效分离,但细胞过早的沉淀将对发酵性能产生不利影响。这种新絮凝基因能让非絮凝的细胞产生絮凝表型,这种表型又受多种糖的抑制,在发酵开始时并不产生絮凝,只有在发酵后期,当发酵液中的糖大部分被消耗掉后才表现出絮凝特性,细胞之间发生相互作用,迅速沉淀,从而更利于细胞和培养液的分离。

  在面包酵母菌株生产后期,要进行细胞和发酵液的分离。分离的手段目前有用大型离心机分离、添加化学絮凝剂分离和自然沉淀分离等。离心分离成本很高,添加化学絮凝剂可能会带来一些食品安全风险,而自然沉淀需要较长的时间,这些都会造成生产成本居高不下。

  “目前所使用的面包酵母菌株的絮凝作用很弱,如果将具有强絮凝作用的面包酵母工程菌用在生产实际当中,会大大缩短分离时间,这至少能将成本降低1/5。”张博润说。

发现重复序列缺失

  该团队通过对新絮凝基因和原来的絮凝基因(FLO1、FLO5、FLO10、FLO11)的对比发现,原来的絮凝基因有很多重复序列,而新絮凝基因则出现了重复序列缺失。

  进一步的研究发现,新絮凝特性受糖调控的特性和基因中的重复序列有关,但具体和哪一段重复序列有关,研究人员并不清楚。

  “重复序列之间容易发生重组,基因内的重复序列越多,重复序列间发生重组的频率越高,在细胞传代过程中就会出现性状分化,出现不同的表型。在工业化中,就会出现稳定性差的问题。所以我们对每一段都进行研究,希望能找到和新絮凝表型直接相关的这一段序列,在保持其功能的前提下,尽可能减少其重复序列的存在,这样就能减少细胞在繁殖过程中产生的不稳定性。”何秀萍说,“在真核生物中,有些基因中存在大量的重复序列,这些重复序列发生重组或改变后,可能会让人产生疾病,研究这些重复序列对蛋白结构和功能的调控作用,可能会揭示一些疾病产生的机理。”