血红素是普遍存在于生物体内的一种生物大分子,它可以作为辅基参与生物的多种生命代谢活动,同时,还可以为生物体提供铁元素。但过量的游离血红素具有毒害作用,谷氨酸棒杆菌中存在精致且复杂的调控系统来确保生物体内血红素的动态平衡。我们在利用谷氨酸棒杆菌生产ALA时,菌体积累过量下游产物,致使菌体的生长乃至呼吸代谢均受到影响。鉴于血红素的重要生理功能,在利用重组菌生产ALA时,血红素合成途径不能被阻断或敲除,只能调控弱化。谷氨酸棒杆菌中的血红素受到两个双组份系统HrrSA和ChrSA的调控作用,主要在转录水平上进行调控。HrrSA主要用来调控血红素合成途径基因转录水平,以及血红素代谢途径相关基因转录水平。ChrSA只有胞内游离血红素的浓度超过菌体耐受性时才转录表达,激活血红素外运蛋白HrtBA基因表达,将胞内过量的游离血红素转运到胞外。本论文首先构建了谷氨酸棒杆菌血红素外运蛋白基因单敲菌株WT-H,血红素外运蛋白与内运蛋白基因同时缺失菌株WT-HH。研究血红素在胞内积累时,对血红素合成途径以及代谢调控途径的影响。结果表明,菌体血红素转运蛋白缺失,胞内游离血红素的量维持动态平衡。菌株积累大量的血红素代谢中间产物,并分泌到胞外。负责调节胞内游离血红素动态平衡的两个双组份系统HrrSA与ChrSA的转录水平上调,血红素合成途径基因转录水平下调,血红素氧化酶基因转录水平与血红素结合蛋白基因转录水平均上调。这是由于游离血红素在胞内积累,菌体通过双组份系统调控胞内游离血红素的动态平衡。我们在谷氨酸棒杆菌hemB基因C端添加降解标签,可有效降低胞内ALA脱水酶的活性,菌体积累的胆色素原明显降低,卟啉化合物的积累量也降低。敲除血红素转运蛋白基因,菌体胞内游离血红素的量仍可以保持动态平衡。其次我们在野生型谷氨酸棒杆菌与血红素转运蛋白基因缺失菌中过表达ALA合成基因,研究过量合成ALA时,对血红素代谢调控的影响。ALA过量积累时,胞内游离血红素的量维持动态平衡;血红素转运蛋白的缺失有利于提高ALA的积累。此时,菌液颜色加深,发酵液中积累大量的卟啉化合物。双组份基因转录水平上调,血红素合成途径基因转录水平也上调。这是由于胞内过量的ALA促使下游代谢提高,积累过量的中间代谢产物。同时菌体双组份系统调节胞内血红素动态平衡。在hemB基因末端添加降解标签可有效提高ALA的积累。综上所述,血红素转运蛋白缺失,胞内游离血红素的量维持动态平衡,菌体积累大量的卟啉化合物。菌株主要通过双组份系统在转录水平调控胞内游离血红素的量,抑制血红素合成途径基因转录水平,提高血红素代谢相关基因转录水平。降低ALA下游代谢产物的积累可有效提高ALA的产量。研究谷氨酸棒杆菌血红素转运蛋白缺失对血红素代谢调控的影响,可以为后期研究血红素以及ALA提供理论依据。