酵母菌絮凝基因研究取得系列成果

蛋白酶A缺失及抗老化啤酒酵母工程菌的構建

　　6月底，《西安晚報》以《細菌吃淤泥 城河水變清》為題，報道了西安護城河玉祥門到西門清淤示范區內，運用菌種清淤，在1個多月的時間里，讓河水重新變清的消息。這顯示了微生物在污水治理方面的巨大威力。

　　科學家發現一種絮凝基因，把它轉入到具有污水處理作用的菌種中，再將得到的菌株用于廢水處理，會更容易產生沉淀，從而大大加快污水處理效率。

　　在國家自然科學基金的持續支持下，中國科學院微生物研究所研究員張博潤研究團隊對酵母菌絮凝基因進行了深入研究并取得系列成果。在此基礎上，該團隊已將絮凝基因用于污水處理，也許用不了多久，這項技術就會在污水處理之中大顯身手。

　　絮凝是將溶液中不需要的成分通過絮狀凝集方式去除的過程，在此過程中用到的助劑稱為絮凝劑。

　　在各種絮凝劑中，微生物絮凝劑因具有快速穩定、使用方便，且不會造成二次污染等優點而受到廣泛關注。有報道稱，微生物絮凝劑將在不久的將來，取代或部分取代傳統的無機高分子和合成絮凝劑，在食品工業、飼料工業、藥物研制和污水處理等領域大放異彩。

　　絮凝沉降法在水處理中也占有極其重要的地位，國內外的工業廢水處理，使用絮凝法的比例約占60%～75%，而自來水工業更是以絮凝法凈水為主。目前廣泛應用于水處理中的絮凝劑主要有無機高分子絮凝劑（如PAC）和有機高分子絮凝劑（如PAM）。由于無機絮凝劑一般用量較大且可能對環境產生二次污染，如聚合鋁系列的鋁離子會對人類健康產生危害；而有機高分子絮凝劑的殘留物不易被微生物降解，且其單體也有負面效應，因此，研究開發絮凝效果好、易生物降解、無二次污染、對環境安全的微生物絮凝劑具有廣闊的市場前景。

　　“在兩個科學基金項目研究的基礎上，我們正在做一個‘院地合作’項目，和浙江省農科院合作，將絮凝基因轉入具有污水處理作用的菌種中。這樣的工程菌株更容易產生沉淀，它將大大加快污水處理速度。”張博潤說，“最早人們發現一些酵母細胞絮凝性很強，利用這一特性會改善發酵工藝，從而產生巨大的經濟效益。另一方面，從基礎研究來說，絮凝現象還有很多機理性的東西沒弄明白，如它是如何產生的，受什么控制，如何來改變菌株的絮凝性等等。”

　　20世紀90年代，國外開始微生物絮凝劑的研究并著手商業化。1997年，在國家自然科學基金的資助下，張博潤研究團隊就開始了酵母菌絮凝基因的相關研究。

　　分子生物學近年來發展很快，但在10 年前，研究手段和儀器設備還相當陳舊落后。“我們主要想從絮凝基因這一個小點入手，進行深入挖掘。當時申請到的面上項目才8萬元，我們連PCR儀都沒有。”張博潤說，“盡管我們知道酵母菌中有絮凝基因存在，但怎樣把它拿出來還是個問題。”

　　在當時的條件下，研究人員只能用肉眼來做實驗，在發酵液中看絮凝的強弱，然后進行成千上萬次挑選，找出轉化子來，放入試管中培養十幾個小時。然后再進行上萬次的比對……

　　4位研究人員花了3個多月時間，最后硬是把轉化子找了出來，然后再用現代分子生物學的技術，進行基因序列測定和分析。

　　這時，國外報道發現一種新絮凝現象，這種絮凝特性受葡萄糖的抑制。因為此前有研究絮凝基因的基礎，該團隊敏銳地看到了這種新絮凝基因的應用前景，于是決定對這種新絮凝基因進行研究。

　　“當時沒有人知道這種新絮凝特性受葡萄糖抑制的現象是否和基因有關，我們就申請了一個和這一新型絮凝特性分子相關的研究。”該團隊成員之一、中科院微生物所副研究員何秀萍說，“一開始也是非常困難，第一年基本上沒有什么進展。我們有很大壓力，也用盡各種方法，最終，我們還是幸運地首先拿到了一個完整的新絮凝基因，并率先做完測序工作。”

　　良好的絮凝特性有利于細胞和培養液之間有效分離，但細胞過早的沉淀將對發酵性能產生不利影響。這種新絮凝基因能讓非絮凝的細胞產生絮凝表型，這種表型又受多種糖的抑制，在發酵開始時并不產生絮凝，只有在發酵后期，當發酵液中的糖大部分被消耗掉后才表現出絮凝特性，細胞之間發生相互作用，迅速沉淀，從而更利于細胞和培養液的分離。

　　在面包酵母菌株生產后期，要進行細胞和發酵液的分離。分離的手段目前有用大型離心機分離、添加化學絮凝劑分離和自然沉淀分離等。離心分離成本很高，添加化學絮凝劑可能會帶來一些食品安全風險，而自然沉淀需要較長的時間，這些都會造成生產成本居高不下。

　　“目前所使用的面包酵母菌株的絮凝作用很弱，如果將具有強絮凝作用的面包酵母工程菌用在生產實際當中，會大大縮短分離時間，這至少能將成本降低1/5。”張博潤說。

　　該團隊通過對新絮凝基因和原來的絮凝基因（FLO1、FLO5、FLO10、FLO11）的對比發現，原來的絮凝基因有很多重復序列，而新絮凝基因則出現了重復序列缺失。

　　進一步的研究發現，新絮凝特性受糖調控的特性和基因中的重復序列有關，但具體和哪一段重復序列有關，研究人員并不清楚。

　　“重復序列之間容易發生重組，基因內的重復序列越多，重復序列間發生重組的頻率越高，在細胞傳代過程中就會出現性狀分化，出現不同的表型。在工業化中，就會出現穩定性差的問題。所以我們對每一段都進行研究，希望能找到和新絮凝表型直接相關的這一段序列，在保持其功能的前提下，盡可能減少其重復序列的存在，這樣就能減少細胞在繁殖過程中產生的不穩定性。”何秀萍說，“在真核生物中，有些基因中存在大量的重復序列，這些重復序列發生重組或改變后，可能會讓人產生疾病，研究這些重復序列對蛋白結構和功能的調控作用，可能會揭示一些疾病產生的機理。”