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Proteomic Insights into citT-Deletion Induced Metabolic Sensitivity in Bio-Degumming of Ramie Fibers by Bacillus subtilis
Qi Yang, Yuqin Hu, Xiangyuan Feng, Guoguo Xi, Ke Zheng, Zhenghong Peng,
Fengbo Han, Lifeng Cheng & Shengwen Duan (2024) , Journal of
Natural Fibers, 21:1, 2334414, DOI: 10.1080/15440478.2024.2334414
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苧麻是一種在紡織工業(yè)中具有多種用途的功能性生物材料，被稱為“中國草”。枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)對苧麻纖維進行的脫膠過程受到應答調(diào)節(jié)蛋白CitT的調(diào)控，CitT是CitS/CitT兩組分系統(tǒng)的一部分，專門作用于果膠成分的降解。本研究通過比較蛋白組分析，探究了CitT蛋白缺失引起的代謝網(wǎng)絡敏感性，以及在苧麻纖維生物脫膠過程中的調(diào)控機制。研究結(jié)果表明，原始菌株和突變菌株中檢測到29種差異表達蛋白，主要涉及跨膜運輸系統(tǒng)、兩組分系統(tǒng)和氨基酸代謝。本研究首次揭示了CitT蛋白在苧麻纖維生物脫膠中的調(diào)控功能，并為針對性構(gòu)建脫膠工程菌株提供了重要的科學和技術(shù)基礎(chǔ)。
苧麻纖維是纖維素的重要組成部分，自古以來就被廣泛用于多種用途。然而，原始苧麻纖維因含有大量非纖維素化合物（通常稱為膠質(zhì)），需要通過“脫膠”處理來去除。傳統(tǒng)的化學脫膠方法雖然節(jié)省時間，但存在污染環(huán)境和高能耗的問題。因此，探索新技術(shù)以提高苧麻脫膠質(zhì)量并減少環(huán)境污染變得迫切和有益。
枯草芽孢桿菌是苧麻纖維脫膠的主要微生物資源。先前的研究表明，CitS/CitT兩組分系統(tǒng)中的應答調(diào)節(jié)蛋白CitT特異性調(diào)控果膠降解途徑。然而，CitT調(diào)控果膠降解途徑的分子機制尚不清楚。
本研究通過蛋白組分析探索了兩組分系統(tǒng)應答調(diào)節(jié)蛋白CitT在苧麻脫膠過程中對果膠降解的調(diào)控機制。結(jié)果表明，CitT缺失導致組氨酸生物合成途徑的酶下調(diào)，精氨酸降解途徑的酶上調(diào)。此外，CitT蛋白還影響了跨膜運輸系統(tǒng)，并可能與LiaS/LiaR和DctS/DctR兩組分系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控生物脫膠過程。
圖1. 原始菌株和突變菌株脫膠后的苧麻纖維掃描電鏡(SEM)分析。
圖2. 生物脫膠系統(tǒng)中單糖組成和含量的高效液相色譜(HPLC)分析。
圖3. CitT基因敲除突變菌株中差異表達蛋白(DEPs)的蛋白-蛋白相互作用網(wǎng)絡分析。
圖4. DEPs參與的代謝途徑。紅色或綠色名稱表示在突變菌株中上調(diào)或下調(diào)的蛋白。
本研究通過定量蛋白組方法全面分析了CitT應答調(diào)節(jié)蛋白在苧麻纖維生物脫膠過程中的作用，為構(gòu)建目標工程菌株在苧麻纖維生物脫膠中的應用提供了重要的科學依據(jù)。研究結(jié)果不僅增強了我們對CitT蛋白在果膠降解過程中代謝調(diào)控功能的理解，而且為未來的研究提供了新的方向，包括通過ChIP-Seq和EMSA等方法對不同果膠酶的具體調(diào)控功能進行更深入的研究。
本研究得到了國家自然科學基金、湖南省自然科學基金、長沙市自然科學基金、湖南省科技創(chuàng)新計劃、中國農(nóng)業(yè)研究體系、中國農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項目、新疆自治區(qū)科技支撐項目、中央公益性科研院所基本科研業(yè)務費和IBFC岳麓青年基金的資助。所有作者共同構(gòu)思和設計了研究，進行了蛋白組學研究、qRT-PCR分析，并起草了手稿。
文章探究了枯草芽孢桿菌的CitT蛋白缺失引起的代謝網(wǎng)絡敏感性以及其在苧麻生物脫膠中的調(diào)控機制。通過比較蛋白質(zhì)組學分析，發(fā)現(xiàn)29個差異表達蛋白，主要涉及跨膜轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、雙組分系統(tǒng)和氨基酸代謝過程。缺少CitT蛋白導致組氨酸生物合成途徑中酶的下調(diào)和精氨酸降解途徑中酶的上調(diào)，首次揭示CitT蛋白在苧麻生物脫膠中的調(diào)控作用，為定向構(gòu)建工程菌株提供科技依據(jù)。
苧麻纖維是一種天然纖維，在紡織工業(yè)中具有廣泛的應用潛力，被稱為“中國草”。苧麻纖維的提取需要通過一個稱為脫膠的過程來去除其表面緊密黏附的非纖維素材料（如半纖維素、果膠、木質(zhì)素和蠟等）。本論文探討了使用枯草芽孢桿菌進行苧麻生物脫膠過程中，CitS/CitT雙組分系統(tǒng)的應答調(diào)節(jié)蛋白CitT的作用。通過比較蛋白質(zhì)組學分析，研究了CitT蛋白缺失對代謝網(wǎng)絡敏感性的影響，旨在深入了解其在生物脫膠過程中的調(diào)控機制。結(jié)果顯示，缺乏CitT蛋白會影響到苧麻脫膠中的跨膜轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、雙組分系統(tǒng)和氨基酸代謝等多個過程。這項研究首次全面揭示了CitT蛋白在苧麻生物脫膠中的調(diào)控作用，并為定向構(gòu)建苧麻脫膠工程菌株提供了重要科學技術(shù)依據(jù)。
根據(jù)用戶提供的文件中的研究部分，論文采用的研究方法可以被歸納為實驗研究和定量研究。接下來，我會詳述這一研究方法的應用，并囊括論文在這個方法上的全面研究。
實驗研究和定量研究在此論文中的應用體現(xiàn)在對苧麻纖維生物脫膠過程的深入分析上。具體研究步驟分為以下幾個部分：
此研究的實驗研究與定量研究方法合理有序，從實驗材料準備、過程操作到數(shù)據(jù)分析與解釋，整個過程科學嚴謹，充分展示了苧麻纖維生物脫膠過程中CitT蛋白的關(guān)鍵調(diào)控作用以及相關(guān)蛋白質(zhì)的表達變化。通過實驗研究與定量研究并用，文章有效地闡述了生物脫膠過程中微生物及其代謝產(chǎn)物的作用機制，為理解微生物脫膠提供了詳實的蛋白質(zhì)組學信息，對于開發(fā)高效的生物脫膠工藝具有重要的參考價值。
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