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光合细菌研究进展 摘 要: 光合细菌分布广泛，本身无毒，富含蛋白质、类胡萝卜素等多种营养物质，得到广泛应用。光合细菌的分子生物学研究已开展了 40 多年，在固碳和蛋白质表达系统研究方面取得了丰硕成果。阐述了光合细菌 cbb 操纵子固碳的分子机制和光合细菌作为新型蛋白质表达系统的研究进展，提出了未来的研究重点，为光合细菌的综合开发和利用提供了新思路。 关键词: 光合细菌; 固氮; CbbR 转录蛋白; 表达系统 光合细菌分布广泛，遍及江河、沼泽、湖泊和海洋 等，具有固氮、制氢、固碳、脱硫等作用 ［1］ 。光合细菌生 命力强，容易培养，生长繁殖速度快，本身无毒，富含蛋 白质、维他命、类胡萝卜素等 ［1-2］ 。光合细菌发现于 19 世纪 30 年代，直到 20 世纪 70 年代才进行了深入、广泛 的研究，极大地推动了光合细菌的研究 ［3］ 。目前，光合 细菌在固碳和蛋白质表达系统等方面的研究取得了丰 硕的研究成果。 1 光合细菌固碳研究 光合细菌生命力旺盛，能够以好氧、厌氧和光合异 养等多种方式生长，在其生长代谢过程中伴随固碳作 用。光合细菌对二氧化碳的固定是通过卡尔文( Calvin － Benson － Bassham，CBB ) 循环，即戊糖磷酸途径实 现 ［1］ 。光合细菌在自养生长条件下，CBB 循环中的关键 酶可以得到诱导表达，如核酮糖 －1． 5 － 二磷酸羧化酶/ 加氧酶和磷酸核酮糖激酶。在光合异养条件下，二氧化 碳的固定能力是不固定的，与电子受体的还原势能有 关 ［4］ 。电子受体如二甲亚砜 DMSO 能够抑制 CBB 循环 酶的生物合成，从而失去固定二氧化碳的能力 ［5］ 。同 时，光照强度能够增强光合细菌固碳的能力 ［6］ 。光合细 菌固碳对其生长和分泌有机酸以及捕光色素蛋白复合 体、细菌叶绿素的生物合成都有一定的影响 ［7］ 。 光合细菌对二氧化碳的固定受到 cbb( CBB 循环中 的关键酶结构基因) 操纵子的严格调控，cbb 操纵子包括 cbb I 和 cbb II 两个操纵子，分布在基因组的不同位置，表达 受 CbbR 转录蛋白的激活 ［8］ 。cbb I 操纵子编码 CBB 循环 中的关键酶，主要包括 cbbF I 、cbbP I 、cbbA I 和 cbbL I cbbS I 基因。cbbF I 基因编码果糖 －1，6 － 景天庚酮糖 －1，7 － 二磷酸酶、cbbP I 基因编码磷酸核酮糖激酶、cbbA I 基因编 码果糖 － 1，6 － 景天庚酮糖 － 1，7 － 二磷酸醛缩酶、cb- bL I cbbS I 基因编码核酮糖 － 1. 5 － 二磷酸羧化酶/加氧 酶 ［9］ 。cbb II 操纵子除编码 ccb I 操纵子中 cbbF I 、cbbP I 和 cbbA I 基因编码的关键酶的同功酶，其中的 cbbT II 基因编 码转酮醇酶、cbbG II 基因编码甘油醛 － 3 － 磷酸脱氢酶、 cbbM II 基因编码 II － 型核酮糖 －1. 5 － 二磷酸羧化酶/加 氧酶亚基 ［10］ 。 cbb I 操纵子的表达受转录蛋白 CbbR 的激活，同时 也受 RegA/RegB 双组分信号转导系统中 RegA 蛋白的 调控 ［8，11］ 。cbbR 基因位于 cbbF I 基因的上游，DNase I 印迹分析表明 CbbR 转录蛋白结合到 cbb I 操纵子启动子转 录起始位点的 －10 bp 和 －70 bp 区之间。DNase I 印迹 也证明了 RegA 转录蛋白也能结合到 cbb I 操纵子启动子 区域，存在两个 DNA 结合位点，一个位于启动子调节区 的 －301 bp 和 －415 bp 区域之间，另一个与 CbbR 蛋白 结合位点重叠。RegA 和 CbbR 蛋白自身能够形成四聚 体，RegA 蛋白能够促进 CbbR 蛋白与启动子的结合，但 RegA 与启动子的结合不需要 CbbR 蛋白的参与 ［12］ 。研 究表明，CbbR 和 RegA 蛋白对 cbb I 操纵子的调控需要 RuBP 蛋白的参与，RuBP 能促进 CbbR 和 RegA 蛋白的 相互作用和增强 CbbR 蛋白与启动子的结合 ［13-14］ ，如图 1 所示。其中，CbbR、RegA 与 RuBP 蛋白共同作用才能 使得 cbb I 操纵子基因转录，在缺少 RuBP 蛋白的情况下， CbbR 和 RegA 蛋白不能调控 cbb I 操纵子基因的表达。 目前，常见用于固碳研究的光合细菌有类球红细菌 Rhodobacter ( R． ) sphaeorides、荚 膜 红 细 菌 Rhodobacter ( R． ) capsulatus 和沼泽红假单胞菌 Rhodopseudomonas( R．