枯草芽孢杆菌：这个酶工厂是如何运作的？

  分泌酶(Secreted enzymes)在科学研究和工业生产中发挥着广泛的作用。可分泌各种酶的生产平台的持续需求是显而易见的，它能以更高的质量和更低的成本提供更高产量的蛋白质产品。枯草芽孢杆菌是一种革兰氏阳性菌，具有良好的发酵性能，酶产物产量高，无毒副产物，易于进行基因工程。它是分泌酶生产中的细菌冠军，是基因调控系统生物学分析和广泛的蛋白质组分析的优秀模式生物，为其适应环境变化以获得生存和竞争的成功提供了支持。

  枯草芽孢杆菌分泌蛋白质的目的很广泛，包括获取营养、与其他生物竞争和适应环境的变化。重要的是，蛋白质组学帮助定义了细胞外蛋白质组(exoproteome)、细胞壁蛋白质组和膜蛋白质组的组成，表明细胞的这些亚蛋白质组是高度动态的实体，它们根据生长阶段、营养可用性和压力而变化，而不是单纯由分泌蛋白的过度生产引起的“分泌压力”。

  为了增加枯草芽孢杆菌的酶分泌，需要分析蛋白质分泌机制(protein secretion machinery)(图1)。蛋白质组动态学阐明了枯草芽孢杆菌中表达的大部分蛋白质及其相互作用组(huge network of interacting proteins)的准确性。此外，还研究了包括蛋白质分泌机制和分泌蛋白的分泌组。重要的是，枯草芽孢杆菌的两个蛋白质易位途径，一般分泌(general secretory (Sec) pathway)途径和双精氨酸(twin-arginine (Tat) translocation pathway)易位途径被认为是在枯草芽孢杆菌菌株工程中提高蛋白质/酶生产的重要元素。高度保守的Sec途径涉及到细胞质伴侣蛋白、Sec易位酶、spase和催化剂，它们在完成蛋白质易位、折叠和活性的过程中起着不同的作用。Tat通路由TatA、TatC及其复合体组成，但其易位尚未明确，因此Tat通路尚未成功用于分泌蛋白的生产。为了将高效的枯草芽孢杆菌细胞工厂转化为我们未来需要的下一代超级分泌细胞工厂，需要集成系统和合成生物学方法。例如，细胞蛋白质质量控制机制可以通过某些蛋白酶去除潜在的有害分子，然而，某些蛋白酶的过度活性可能导致产品损失。此外，基因工程编辑SecA translocation motor或SPases可以实现我们在Sec通路中目标蛋白的增产。最后但也十分重要的是，控制一些基因，以减少蛋白质生产和分泌压力的不利影响，提高产量。例如，大规模基因组最小化(large-scale genome minimization)显示了分泌酶的生产力提高，这消除了枯草芽孢杆菌中的非必需区域。因此，利用定制基因组工程的下一代枯草芽孢杆菌细胞工厂以获得最大的蛋白质产量是有前途的。

  最重要的是，由于先进的多“组学”研究、系统和对枯草芽孢杆菌的合成生物学分析，通过优化细菌蛋白质分泌机制，增加分泌蛋白产量，平衡细胞资源，是一个可以实现的目标。

  图1. 枯草芽孢杆菌general secretory (Sec) pathway蛋白输出机制的组成 (derived from Neef et al., 2021)

  参考文献：

  van Dijl, J. M., & Hecker, M. (2013). Bacillus subtilis: from soil bacterium to super-secreting cell factory. Microbial cell factories, 12, 3. https://doi.org/10.1186/1475-2859-12-3

  Neef, J., van Dijl, J. M., & Buist, G. (2021). Recombinant protein secretion by Bacillus subtilis and Lactococcus lactis: pathways, applications, and innovation potential. Essays in biochemistry, 65(2), 187-195.