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梭菌属于厚壁菌门中低GC含量革兰氏阳性菌，许多种能够利用糖、淀粉、纤维素、合成气等生产各种化学品，是一类具有重要生物技术应用潜力的微生物。其中，丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌被用于丁醇、丙酮等溶剂的工业生产。丁醇不仅是大宗基础化工原料，也是优质的燃料和燃料添加剂，因此利用产溶剂梭菌发酵生产丁醇引起了广泛的研究兴趣。然而，该生产过程存在着原料成本过高、终产物中丁醇比例有待提高等问题。丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌等产溶剂梭菌能够利用木质纤维素中的戊糖—木糖和阿拉伯糖，然而它们的戊糖代谢途径及其调控机制尚不清楚，从而难以通过代谢工程来提高它们的戊糖代谢能力。 本研究利用了比较基因组学技术在9种具有生物技术应用潜力的梭菌中重构了，阿拉伯糖和阿拉伯糖苷代谢途径、以及转录调节子，发现在丙酮丁醇梭菌及其它梭菌中广泛存在一个新的核酮糖激酶AraK，其与目前已知的核酮糖激酶非直系同源;并且通过araK基因敲除、蛋白纯化及酶活测试等实验证实了AraK的功能。同时，研究结果阐明了转录因子AraR直接调控的基因，发现在丙酮丁醇梭菌等中，AraR不仅调控阿拉伯糖转运和代谢、以及阿拉伯糖苷分解相关的基因，还调控中心代谢磷酸戊糖途径上基因的表达;通过转录水平分析、凝胶阻滞实验等鉴定了丙酮丁醇梭菌中AraR所调控的基因及其作用机制。 丙酮丁醇梭菌中木糖的分解代谢通路尚不清楚。本研究利用13C代谢流量分析技术，识别了该菌中木糖代谢的通路，并且解析了各个途径的代谢流量。发现丙酮丁醇梭菌中存在磷酸解酮酶途径，高达40％的木糖分子通过这条途径被分解代谢，而且磷酸解酮酶途径和磷酸戊糖途径的流量分配比例随着培养基中木糖浓度的不同而发生显著变化。进一步通过蛋白纯化和酶活测试，鉴定了丙酮丁醇梭菌中编码5-磷酸木酮糖磷酸解酮酶的基因。 本研究对中心代谢途径的转录调控也进行了研究。转录因子Rex广泛存在于梭菌中，它通过感应NADH/NAD+比例调整结合DNA的能力。近期的研究表明Rex参与调控丙酮丁醇梭菌中溶剂的生成。然而，Rex是否能够感应细胞内氧化还原水平的变化调控基因的表达、以及它在丙酮丁醇梭菌和其它梭菌的生理功能与代谢调控中所扮演的角色，还有待研究。利用比较基因组学技术重构了11株梭菌中转录因子Rex的调节子，发现Rex在梭菌中不仅调控发酵途径上的许多基因，还调控氢气生成、TCA循环、NAD合成、硝酸盐和亚硫酸盐的还原、以及CO2/CO固定等多个重要的代谢途径。通过凝胶阻滞实验证实了在11个梭菌基因组上所预测的Rex结合位点;通过转录水平分析等实验证实了丙酮丁醇梭菌中转录阻遏蛋白Rex所调控的基因。进而，通过添加甲基紫精、过氧化氢改变丙酮丁醇梭菌的氧化还原平衡，比较分析其对于野生型和rex缺失突变型菌株胞内NADH/NAD+比例、Rex靶基因的表达、以及生理功能的作用。结果表明，Rex感应胞内NADH/NAD+比例调控靶基因的表达，调节丙酮丁醇梭菌发酵产物中丁醇与丙酮的比例以及氧化应激的耐受性，对于维持梭菌胞内氧化还原平衡起着重要的调节作用。 综上所述，本论文对产溶剂梭菌戊糖代谢流量分布及其调控、以及中心碳代谢途径的转录调控进行了深入细致的研究，发现和鉴定了新的核酮糖激酶、以及阿拉伯糖代谢途径的调控机制;首次在梭菌中发现了磷酸解酮酶途径的活性，在丙酮丁醇梭菌中高达40％的木糖分子通过这条途径被分解代谢;比较基因组学重构了11株梭菌中感知氧化还原状态的转录因子Rex的调节子，并鉴定了丙酮丁醇梭菌中Rex的调控功能，阐明了Rex对于丙酮丁醇梭菌抵制氧化应激和还原力过剩、维持胞内氧化还原平衡起着重要的调节作用。这些研究结果提高了我们对于梭菌戊糖代谢及中心代谢调控的认识，为产溶剂梭菌木糖和阿拉伯糖代谢途径的改造和优化提供了理论基础，为通过代谢工程提高发酵终产物中丁醇的比例提供了新的思路。