全 文 ：·综述与专论· 2015, 31(2):53-60
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
1 透明颤菌血红蛋白（VHb）简介
透明颤菌是一种革兰氏阴性好氧丝状菌，首先
发 现 于 1870 年， 但 直 到 1949 年，Pringsheim 等［1］
才进一步对该菌进行纯培养，并将其定义为一个新
的菌科 ：Vitreoscillaeeace。透明颤菌非常重要的一
个特性是它可以合成一种血红蛋白类似物。1974 年，
Webster 等［2，3］从 Vitreoscilla 菌中提取纯化得到此蛋
白，并在 1978 年将其命名为“细胞色素 o（cytochrome
收稿日期 ：2014-06-18
基金项目 ：中央高校基本科研业务费专项资金（30920130121013）
作者简介 ：陈云美，女，博士研究生，研究方向 ：微生物发酵工程 ；E-mail ：yunmei7866@163.com
通讯作者 ：王世明，男，博士，副教授，研究方向 ：微生物代谢和酶工程 ；E-mail ：bioeng@mail.njust.edu.cn
透明颤菌血红蛋白的结构功能和应用进展
陈云美  徐海洋  王世明
（南京理工大学分子代谢中心，南京 210094）
摘 要 ： 透明颤菌血红蛋白（VHb）是科学家发现的第一种微生物血红蛋白，它的结构、生化功能以及表达调控机制都已
经得到广泛的研究。VHb 可以在很多宿主细胞中表达，通过促进氧的输送增强呼吸和能量代谢，以提高许多有用的代谢产物（抗
生素、蛋白质、聚合物等）的产量和宿主抗逆性，还能降低有害化合物的毒害。重点从 VHb 的功能与结构、在提高微生物代谢产
物的产量，以及对动植物某些特性的影响和增加生物修复能力等方面的应用进展进行了综述，并对 VHb 在植物代谢和动物代谢中
具有很大的发展空间进行了展望。
关键词 ： 透明颤菌血红蛋白 ；生物制剂 ；代谢产物 ；生物修复 ；发酵工程
DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.02.007
The Structure-function Relationship of Vitreoscilla Haemoglobin and
Its Application in Biotechnology
Chen Yunmei Xu Haiyang Wang Shiming
（Center for Molecular Metabolism，Nanjing University of Science & Technology，Nanjing 210094）
Abstract ： The hemoglobin from the bacteriumVitreoscilla（VHb） is the firstmicrobial hemoglobin, which has been extensively studied
with respect to its structure, biochemical functions, and the mechanisms by which itsexpression is controlled. Expressing VHb in a variety of
heterologous hostsresults substantial increasesin production of a variety of useful products（antibiotics, proteins, polymersetc.）, host resistance
andability to degrade some harmful compounds, by promoting oxygen transport to enhance respiratory and energy metabolism. So this paper
reviewed on the function and structure of VHb and the improving output of microbial metabolites, some characteristics of plants and animals
and influence of the application of bioremediation capability. And we discussed about the application prospect and development space in the
metabolism of plant and animal.
Key words ： Vitreoscillahemoglobin ；bioproduct ；production metabolite ；bioreme diation ；fermentation
o，Cyo）”蛋白。1986 年，Wakabayashi 等［4］完成了
对 Cyo 的氨基酸测序，并将 Cyo 的 146 个氨基酸与
5 种动植物的血红蛋白进行比较发现，Cyo 与其他真
核生物的血红蛋白（Hbs）拥有较高的相似性，特别
是与黄羽扇豆血红蛋白的相似性高达 24%。在综合
了蛋白质初级结构、光谱性质、氧结合动力学等一
系列特征后确定了 Cyo 的结构，并将 Cyo 重新命名
为透明颤菌血红蛋白（VHb）。VHb 是迄今发现的唯
一一种原核生物血红蛋白。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.254
2 透明颤菌血红蛋白的结构与功能
天然的 VHb 以同型二聚体形式存在，由两个完
全相同的相对分子量为 15 775 的亚基和两个 b 型血
红素组成。每个亚基由 146 个氨基酸残基形成 6 个 α-
螺旋区（A、B、E、F、G 和 H），其三维结构见图 1［5］，
而真核生物的血红蛋白有 8 个 α-螺旋区（A、B、C、
D、E、F、G 和 H）。所有的血红蛋白都含有一个近
侧 His（F8）残基与血红素铁结合，大部分血红蛋
白的远侧都含有另一个 His（E7）残基，通过 His（E7）
残基与氧结合形成氢键来维持其稳定。但是 VHb 氨
基酸残基 E7 位置是 Gln，又因为多肽片段 Phe-CD1
到 Leu-E1 的基因片段之间没有能力形成 α-螺旋，进
而导致 Gln-E7 离开了血红素囊区域，因此它不能与
环境中氧结合形成氢键，最终使二者的亲合力变弱，
加快氧的传递速率。1998 年，Dikshit 等［5］通过定
点突变的方法将 VHb 蛋白 E7 位点的 Gln 变成 Leu
或者 His 发现，VHb 蛋白的生物活性未受影响，由
此断定 VHb 蛋白血红素跟氧的结合不发生在 E7 位
置，这跟其他血红蛋白不同。
果导致 VHb 氧结合能力和一氧化氮双加氧酶（nitric
oxide dioxygenase，NOD）活性受到明显的影响 ；若
将 H12 位点的 Tyr 突变成 Phe 或者 Leu，对 VHb 的
氧结合能力影响较小，这却与分子模型推测的结果
不一致（TyrH12Leu 突变可能会增强血红素铁氧的
扩散）。如果能研究透彻 VHb 不同位点突变后功能
的改变，则会对蛋白质结构和功能之间的关系提出
新的见解，并且突变后的 VHb 蛋白更有利于其在生
物工程上的应用。
研究发现，VHb 蛋白在不同的环境条件下可
呈现 3 种不同的状态，即还原态、氧合态、氧化
态。3 种状态可以相互转化，其中还原态是生理活
性态，此时 VHb 的铁原子处于亚铁状态，可以与环
境中的氧可逆性结合 ；而氧合态是还原态和氧化态
的过渡态，是富氧条件下的表现形式，氧合态的形
成是 VHb 蛋白发挥生理功能的必需条件。VHb 与
氧形成氧合态，并以这种状态参与跟氧有关的代谢
途径，介入代谢途径中的某些关键步骤，然后氧合
态的 VHb 通过跟氧的解离，将氧传递给呼吸链，调
节末端氧化酶的活性，提高氧化磷酸化的效率，改
变在贫氧条件下细胞原有的代谢途径，以至改变某
些基因的表达，更有利于菌的生存和目的产物的高
效表达。从 VHb 结合氧的动力学参数来看，和其
他血红蛋白相比，VHb 与氧结合的速率常数（kon
=78/μmol/L/s）处于平均水平，反应了 VHb 对氧较强
的亲和力 ；而 VHb 与氧解离速率常数（koff =5000/s）
却比其他血红蛋白高出上千倍，反应了 VHb 更容易
释放大量的氧（表 1）。因此，VHb 蛋白最初的功能
只是在氧含量较低的情况下结合氧并且将氧传递到
末端氧化酶以增加氧化磷酸化［9］，随着研究的进一
步深入才发现了一些别的与氧相关的功能。
表 1 各种血红蛋白与氧反应的动力学常数［10］
血红蛋白 kon（μmol/L
-1s-1） koff /s
-1
透明颤菌血红蛋白（VHb） 78 5000
羽扇豆血红蛋白（LLb） 120 5.6
水稻血红蛋白 1 68 0.038
拟南芥血红蛋白 1（AHB1） 75 0.12
拟南芥血红蛋白 1（AHB2） 1.07 0.14
大肠杆菌黄素血红蛋白（HMP） 38 0.44
虽然 VHb 的功能是协助氧进入细胞，但在一
图 1 VHb 的三维结构（颜色标识见电子版）
B
E7-Gln
Q10-Tyr
HEM
F8-His
G5-Tyr
H12-Tyr
H
G
E
F
A
蛋白质的结构是其功能的物质基础。1997 年，
Tarricone 等［6］认为 B10 位点的 Tyr 在维持氧的稳定
性上具有重要作用，将 Tyr 突变成 Phe，VHb 蛋白
的结构保持不变，但是若将 Tyr 突变成 Ala，会使
VHb 蛋白的末端结构发生重组［6，7］。2008 年，Kaur 等［8］
将 VHb 蛋白 G5 位点的 Tyr 突变成 Phe 或者 Leu，结
2015,31(2) 55陈云美等：透明颤菌血红蛋白的结构功能和应用进展
些宿主菌中却可以通过过量表达 VHb 进行氧化应激
保护［10］。后来发现这是因为 VHb 改变了宿主菌的
转录调节因子 OxyR 的氧化还原状态，激活细胞的
抗氧化调节子［11］。有研究发现 VHb 还与负责氧应
答的转录调节因子 Fnr 相互作用，vgb 启动子除了有
Crp，Fnr 和 ArcA 的结合位点，还有 OxyR 调节蛋白
的结合位点。因此 VHb 通过改变细胞的氧化还原态
来改变细胞的代谢。
3 透明颤菌血红蛋白的应用
在研究 VHb 结构和功能的同时，VHb 的应用研
究也在稳步向前发展。VHb 的宿主范围非常广泛，
在很多宿主细胞内都能成功表达，包括微生物（大
肠杆菌、枯草芽胞杆菌、链霉菌、假单胞菌、霉菌
和酵母菌等），植物（烟草、水稻、卷心菜和杨树等）
和动物细胞（中国仓鼠卵母细胞和斑马鱼）。近几年
来的研究结果显示，VHb 的应用主要体现在 3 个方
面 ：一是 VHb 提高微生物代谢产物的产量 ；二是对
动植物某些特性的影响 ；三是增加生物修复能力。
3.1 VHb提高微生物代谢产物的产量
研究证明，通过选择合适的启动子构建含 vgb
基因的载体让 VHb 高效表达，能提高很多宿主的代
谢物产量。vgb 基因的天然启动子是强启动子，表达
量高，启动子的活性受溶氧浓度调节，诱导条件温
和，适用于一些革兰氏阴性菌。对于其他宿主就需
要选择对应的启动子。例如，CaMV 35S 启动子常用
于真菌和高等植物。近几年，VHb 运用于基因工程菌，
提高有用的代谢产物产量的应用也在稳速的发展中，
总结起来主要有以下 4 类代谢物 ：抗生素、聚合物、
蛋白质和其他生化制剂。
3.1.1 抗生素 早在 1993 年 DeModena 等［12］就已
经将 vgb 基因整合到 Acrenmoniun chrysogenum 中以
提高头孢菌素 C 的产量。头孢菌素 C 的生物合成途
径受碳、磷、溶解氧等的影响，其中氧尤为重要，
因为头孢菌素 C 的生物合成途径中包括 3 个重要的
耗氧反应 ：三肽环化酶反应、扩环反应和脱乙酞头
孢菌素 C 的羟基化反应，因此头孢菌素 C 的发酵过
程与氧有着紧密的联系。由此可见，VHb 可以用于
合成抗生素的发酵工艺。迄今为止，VHb 蛋白已经
成功的运用于很多细菌或真菌来提高抗生素的产量。
例如，VHb 能提高糖多孢菌的红霉素产量 ；提高地
中海拟无枝菌酸菌的利福平 b 产量 ；提高天蓝色链
霉菌中 Actinorbodin 产量等［13，14］。
近 5 年来，VHb 在提高抗生素产量上的应用越
来越多，详见表 2。VHb 在宿主菌雪白弯颈霉中的
表达使环孢菌素产量提高 33.5% ；在顶头孢霉中使
头孢菌素产量提高 27%［15，16］。2011 年，Zhu 等［17］
将 vgb 基因整合到 Phellinus igniarius 中，VHb 蛋白
的表达使宿主菌的黄酮和胞外多糖产量分别提高了
78% 和 54%，黄酮和胞外多糖都是含有杀菌效果的
化合物。2012 年，Luo 等［18］也将 vgb 基因整合到刺
糖多胞菌中，VHb 的表达大大提高了工程菌株的耗
氧量，有利于发酵产物的生成。最近的研究报道指出，
在链霉菌生产游霉素的工业生产中，VHb 蛋白的表
达将游霉素的产量提高了 75%［19］。在发酵工业中供
氧问题是需解决的最重要的问题之一，尤其是在发
酵后期。而 VHb 蛋白在氧含量较低的情况下能结合
氧并将氧传递到末端氧化酶以达到增加发酵产物的
目的，这对工业生产的意义是非常重大的。
3.1.2 聚合物 VHb 蛋白除了能应用到抗生素的生
产中，还能用在生物大分子聚合物的合成中，详见
表 3。最初，研究者们发现，在产羟基丁酸和羟基
乙酸盐混合聚合物的基因工程菌中表达 VHb 蛋白可
以提高混合聚合物的产量。2006 年和 2007 年都有
研究报道指出，VHb 的表达能提高木醋杆菌细菌纤
维素的产量［20，21］。细菌纤维素具有很高的商业利用
价值，在医药材料中可以用作人造皮肤、人造血管；
在食品工业中可作为食品的成型剂、增稠剂、分散剂、
抗溶化剂、改善口感等，已成为一种重要的食品基
料和膳食纤维 ；在造纸工业中细菌纤维素可以提高
纸张强度和耐用性 ；还可用来制作高级音响设备的
振动膜，因此提高细菌纤维素的产量和质量具有重
要的意义。
表 2 VHb 提高微生物代谢产物抗生素的产量
抗生素 微生物 参考文献
环孢素 A 雪白弯颈霉 ［15］
头孢菌素 C 顶头孢霉 ［16］
黄酮和多糖 Phellinus igniarius ［17］
多杀菌素 刺糖多胞菌 ［18］
丰加霉素 淀粉酶产色链霉菌 ［45］
游霉素 链霉菌 ［19］
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.256
表 3 VHb 提高微生物代谢产物聚合物的产量
聚合物 微生物 参考文献
聚羟基丁酸酯 大肠杆菌 ［46］
聚 γ 谷氨酸 枯草芽孢杆菌 ； ［22］
解淀粉芽孢杆菌 ［23］
胞外多糖 Phellinus igniarius ［47］
近几年来，越来越多的生物聚合物的产量因为
VHb 的参与得到提高。例如，Su 等［22］将 vgb 基因
整合到枯草芽孢杆菌基因组上，在高黏度的发酵条
件下细菌量增加了 1.26 倍，而发酵产物聚 γ 谷氨酸
足足增加了 2.07 倍。同样是发酵生产聚 γ 谷氨酸，
Zhang 等［23］在解淀粉芽孢杆菌中构建含有 vgb 基因
的重组质粒 pWHV，聚 γ 谷氨酸产量提高了 9.56%，
为了让 VHb 能稳定表达，将 vgb 基因同源重组到染
色体上，细菌生物量增加 7.9%，而聚 γ 谷氨酸产量
却提高了 30%。本实验室将 vgb 基因构建到广谱质
粒 pCM158 上，在土壤杆菌 ZX09 中表达，使土壤杆
菌 ZX09 的发酵产物索拉胶的产量提高了约 30%。
3.1.3 蛋白质和其他生化制剂 VHb 蛋白在微生物
中的表达除了能提高抗生素和聚合物的产量，还能
提高一些其他的生物分子的产量，如酶、蛋白质和
其他一些有用的代谢产物，详见表 4。
表 4 VHb 提高微生物代谢产物蛋白和生化制剂的产量
蛋白和其他生化制剂 微生物 参考文献
L-多巴和多巴胺
弗氏柠檬酸杆菌 ；
［29］
草生欧文菌
二羟基丙酮 氧化葡萄糖酸杆菌 ［30］
乙醇 大肠杆菌 ［48］
黄芪甲苷 发根土壤杆菌 ［31］
L-精氨酸 钝齿棒杆菌 ［49］
鼠李糖脂 绿脓杆菌 ［32］
紫穗槐-4，11- 二烯 酿酒酵母 ［33］
脂肪酶 毕赤酵母 ［27］
β-半乳糖苷酶 毕赤酵母 ［28］
草酸盐 荧光假单胞菌 ［34］
vgb 基因通常是放在表达载体上转入宿主菌或
是整合到宿主菌的基因组上表达，以达到改造菌种
降低发酵成本的目的。以大肠杆菌为例，vgb 基因的
表达能将总蛋白的表达水平提高 10% 以上，贫氧条
件下 VHb 的作用更为明显。VHb 在大肠杆菌 α-淀粉
酶基因工程菌中的表达可将 α-淀粉酶的产量提高 3.3
倍，在限氧条件下能将淀粉酶的产量提高到对照菌
株的 7 倍左右［24，25］；在大肠杆菌含几丁质酶基因的
载体上表达，能促进几丁质酶的分泌，提高几丁质
酶活性，随着氧含量的降低，几丁质酶活性也随之
提高［26］。
近几年用 VHb 来提高酶产量的主要宿主菌是
毕赤酵母，酵母的表达系统更加优越，但是如果在
酵母的发酵过程中遭遇贫氧环境，酵母就会改变代
谢途径，大量生成乙醇，而乙醇对酵母具有明显的
阻碍作用，所以 vgb 基因的插入就能解决这一问题。
在氧受限的条件下，VHb 的表达菌株的脂肪酶活性
是对照菌株的 1.8 倍，β-半乳糖苷酶的活性比对照下
降 31.2% ；但在氧充分时 β-半乳糖苷酶的活性只提
高 9.9%［27，28］。
近 5 年来，VHb 的表达提高某些其他的微生物
代谢产物的例子还有很多，如 L-多巴和多巴胺（产
量分别增加了 20 倍和 100 倍）；二羟基丙酮（产量
增加 37.36%）；黄芪甲苷 IV（产量是对照的 5-6 倍）；
鼠李糖脂 ；紫穗槐 -4，11-二烯 ；草酸盐等［29-34］。
3.2 VHb蛋白影响动植物的某些特性
虽然 VHb 蛋白是原核生物血红蛋白，但有研
究表明，VHb 蛋白也可以用于植物和动物，见表 5。
第一个将 VHb 蛋白用于植物的是 Holmberg 等［35］，
将 vgb 基因导入烟草中发现 VHb 的表达明显促进了
烟草的生长，提前了发芽和开花的时间，增加了叶
绿素Ⅱ和尼古丁的含量，但是新烟碱的含量却比对
照减少了。有报道指出 VHb 蛋白还能在卷心菜、苜
蓿、喇叭花中表达，以增加植物的生长和抗缺氧能
力。但是也有实验证明，VHb 的表达对白杨树的生
长，抗淹，抗氧化氮化能力的影响不稳定，所以对
于植物氧代谢的基因操作比微生物复杂很多，有更
多的因素需要考虑［36］。黑莨菪是一种重要的中药材，
Wilhelmson 等［37］将 vgb 基因转入黑莨菪毛状根中表
达，使转基因毛状根干重增加了 18%，莨菪碱平均
含量提高 22%，单位体积莨菪碱含量增加 43%，由
此看出 VHb 蛋白在中药领域也有一定的应用前景。
VHb 蛋白在动物中的应用报道得比较少，因
此应用潜力也最大。最早将 VHb 用于动物的是，
2015,31(2) 57陈云美等：透明颤菌血红蛋白的结构功能和应用进展
Pendse 等［38］ 将 vgb 基 因 融 合 到 小 鼠 乳 腺 瘤 病 毒
（MMTA）启动子调控的表达载体上，整合到能分泌
组织纤溶酶原激活物（tPA）的中国仓鼠卵母细胞中，
在限氧条件下 VHb 的表达使哺乳动物细胞产物增加
了 40%-100%。2011 年 Guan 等［39］通过基因改造使
VHb 蛋白在斑马鱼中表达，以提高鱼在缺氧的环境
中的生存能力。
3.3 VHb在生物修复中的应用
透明颤菌血红蛋白除了运用到以上几个方面，
还有报道指出，它能提高微生物对毒害物质的抗性
和降解能力。苯类物质（苯、甲苯、二甲苯和二硝
基甲苯等）是存在于水环境中的一类主要污染物，
目前主要利用微生物来降解这类物质。微生物降解
是通过氧化酶催化芳香环发生羟基化或烷基取代反
应，氧是这些反应的重要参与者，而污水中的低氧
环境对反应很不利，所以解决氧的问题是关键。
有文献报道，将 vgb 基因整合到铜绿假单胞菌
和伯克霍尔德菌的染色体中，VHb 的表达能促进重
组铜绿假单胞菌降解二硝基甲苯，但对重组伯克霍
尔德菌的降解能力无明显影响［40］。Patel 等［41］的研
究结果显示，将 vgb 基因克隆到广谱性质粒上再转
入伯克霍尔德菌中，VHb 的表达能加快其降解 DNT
的速度，3 d 就可将初始浓度为 200 μg/mL 的 DNT 降
到 0。
通过共同表达有机磷水解酶（OPH）和 VHb 蛋
白的重组大肠杆菌能够将有机磷毒物和对氧磷毒物
降解为无害物质。重金属离子对细胞的毒害作用也
很明显，有报道称，VHb 的表达能使重组产气肠菌
株对镉的吸收能力提升 2 倍［42］。另外，VHb 蛋白在
红串红球菌和德氏假单胞菌中的表达可以使柴油脱
硫能力增加 38% 和 22%，这对环境保护具有重要的
意义，因为硫燃烧产生的二氧化硫是严重的环境污
染物［43，44］。
4 结语
透明颤菌血红蛋白能够从分子水平上控制宿主
菌对氧气的利用能力，通过基因重组的方法使透明
颤菌血红蛋白在基因工程菌中表达，使得宿主菌在
限氧条件下依旧能够维持高水平的细胞生长和产物
合成，从而提高有价值的生物分子的产量。同时，
透明颤菌血红蛋白在宿主菌中的表达可以降低氧气
及能量的消耗，这就不需要再对发酵设备进行额外
的投资，进而降低了发酵成本，因此透明颤菌血红
蛋白的应用大大地促进了微生物发酵工业的发展。
此外，通过转基因的手段使 VHb 在植物体内表
达，不仅可以影响植物的生长，还影响着植物与氧
有关的生命活动。更重要的是，VHb 的表达已经开
始运用于动物细胞，这是一项很大的进步，因而具
有更为广阔的发展空间。由于动植物的代谢比微生
物复杂很多，所以近年来 VHb 在动植物领域的应用
发展比较缓慢，但是未来值得期待。
参 考 文 献
［1］ Prmgsheim EG. The Vitreoscillaceae, a family of colourless, gliding,
filamentous organisms ［J］. J Gen Microbiol, 1951, 5（1）：124-
149.
［2］Webster DA, Liu CY. Reduced nicotinamide adenine dinucleotide
cytochrome o reductase associated with cytochrome o purified from
Vitreoscilla. ［J］. J Biol Chem, 1974, 249（13）：4257-4260.
［3］Tyree B, Webster DA. The binding of cyanide and carbon monoxide
to cytochrome o purified from Vitreoscilla. Evidence for subunit
interaction in the reduced protein［J］. J Biol Chem, 1978, 253（19）：
6988-6991.
［4］Wakabayashi S, Matsubara H, Webster DA. Primary sequence of a
dimeric bacterial haemoglobin from Vitreoscilla［J］. Nature, 1986,
322（6078）：481, 483.
［5］Dikshit KL, Orii Y, Navani N, et al. Site-directed mutagenesis of
bacterial hemoglobin ：the role of glutamine（E7） in oxygen-binding
in the distal heme pocket［J］. Arch Biochem Biophys, 1998, 349
（1）：161-166.
［6］Tarricone C, Galizzi A, Coda A, et al. Unusual structure of the
oxygen-binding site in the dimeric bacterial hemoglobin from
Vitreoscilla sp［J］. Structure, 1997, 5（4）：497-507.
［7］Ratakonda S, Anand A, Dikshit K, et al. Crystallographic structure
表 5 VHb 促进动植物特性的改变
变化的特性 动植物 参考文献
发芽，防涝 卷心菜 ［50］
生长，抗淹，抗氧化氮化 白杨 ［36］
发芽 ； 防涝 ；抗氮氧化压力，光氧化压力 拟南芥 ［51］
抗缺氧能力 斑马鱼 ［39］
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.258
determination of B10 mutants of Vitreoscilla hemoglobin ：role of
Tyr29（B10） in the structure of the ligand-binding site［J］. Acta
Crystallogr Sect F Struct Biol Cryst Commun, 2013, 69（Pt 3）：
215-222.
［8］Kaur R, Ahuja S, Ananda A, et al. Functional implications of the
proximal site hydrogen bonding network in Vitreoscilla hemoglobin
（VHb）：Role of Tyr95（G5） and Tyr126（H12）［J］. FEBS
Letters, 2008, 582（23-24）：3494-3500.
［9］Ramandeep, Hwang KW, Raje M, et al. Vitreoscilla hemoglobin.
Intracellular localization and binding to membranes［J］. J Biol
Chem, 2001, 276（27）：24781-24789.
［10］Kvist M, Ryabova ES, Nordlander E, et al. An investigation of the
peroxidase activity of Vitreoscilla hemoglobin［J］. J Biol Inorg
Chem, 2007, 12（3）：324-334.
［11］Anand A, Duk BT, Singh S, et al. Redox-mediated interactions of
VHb（Vitreoscilla haemoglobin） with OxyR ：novel regulation of
VHb biosynthesis under oxidative stress［J］. Biochem J, 2010,
426（3）：271-280.
［12］DeModena JA, Gutiérrez S, Velasco J, et al. The production of
cephalosporin C by Acremonium chrysogenum is improved by
the intracellular expression of a bacterial hemoglobin［J］.
Biotechnology（N Y）, 1993, 11（8）：926-929.
［13］Magnolo SK, Leenutaphong DL, DeModena JA, et al. Actinorhodin
production by Streptomyces coelicolor and growth of Streptomyces
l iv idans are improved by the expression of a bacterial
hemoglobin［J］. Biotechnology（N Y）, 1991, 9（5）：473-
476.
［14］Priscila G, Fernandez FJ, Absalon AE, et al. Expression of the
bacterial hemoglobin gene from Vitreoscilla stercoraria increases
rifamycin B production in Amycolatopsis mediterranei［J］. J
Biosci Bioeng, 2008, 106（5）：493-497.
［15］Lee MJ, Duong CT, Han K, et al. Combination strategy to increase
cyclosporin A productivity by Tolypocladium niveum using random
mutagenesis and protoplast transformation［J］. J Microbiol
Biotechnol, 2009, 19（9）：869-872.
［16］Liu Y, Gong G, Xie L, et al. Improvement of cephalosporin C
production by recombinant DNA integration in Acremonium
chrysogenum［J］. Mol Biotechnol, 2010, 44（2）：101-109.
［17］Zhu H, Sun S, Zhang S. Enhanced production of total flavones and
exopolysaccharides via Vitreoscilla hemoglobin biosynthesis in
Phellinus igniarius［J］. Bioresour Technol, 2011, 102（2）：
1747-1751.
［18］Luo Y, Kou X, Ding X, et al. Promotion of spinosad biosynthesis
by chromosomal integration of the Vitreoscilla hemoglobin gene in
Saccharopolyspora spinosa［J］. Sci China Life Sci, 2012, 55（2）：
172-180.
［19］Wang S, Liu F, Hou Z, et al. Enhancement of natamycin production
on Streptomyces gilvosporeus by chromosomal integration of the
Vitreoscilla hemoglobin gene（vgb）［J］. World J Microbiol
Biotechnol, 2014, 30（4）：1369-1376.
［20］Chien LJ, Chen HT, Yang PF, et al. Enhancement of cellulose
pellicle production by constitutively expressing Vitreoscilla
hemoglobin in Acetobacter xylinum［J］. Biotechnol Prog, 2006,
22（6）：1598-1603.
［21］Setyawati MI, Chien LJ, Lee CK. Expressing Vitreoscilla hemoglobin
in statically cultured Acetobacter xylinum with reduced O（2）
tension maximizes bacterial cellulose pellicle production［J］. J
Biotechnol, 2007, 132（1）：38-43.
［22］Su Y, Li X, Liu Q, et al. Improved poly-gamma-glutamic acid
production by chromosomal integration of the Vitreoscilla
hemoglobin gene（vgb） in Bacillus subtilis［J］. Bioresour
Technol, 2010, 101（12）：4733-4736.
［23］Zhang W, Xie H, He Y, et al. Chromosome integration of the
Vitreoscilla hemoglobin gene（vgb） mediated by temperature-
sensitive plasmid enhances gamma-PGA production in Bacillus
amyloliquefaciens［J］. FEMS Microbiol Lett, 2013, 343（2）：
127-134.
［24］Khosravi M, Webster DA, Stark BC. Presence of the bacterial
hemoglobin gene improves alpha-amylase production of a
recombinant Escherichia coli strain［J］. Plasmid, 1990, 24（3）：
190-194.
［25］Buddenhagen RE, Webster DA, Stark BC. Enhancement by
bacterial hemoglobin of amylase production in recombinant E. coli
occurs under conditions of low O2［J］. Biotechnology Letters,
1996, 18（6）：695-700.
［26］李昕 , 王海燕 , 张义正 . 利用细菌血红蛋白提高人肠杆菌基因
工程菌几丁质酶基因的表达［J］. 四川大学学报：自然科学版 ,
2003, 40（4）：787-791.
［27］Wang X, Sun Y, Shen X, et al. Intracellular expression of
Vitreoscilla hemoglobin improves production of Yarrowia lipolytica
2015,31(2) 59陈云美等：透明颤菌血红蛋白的结构功能和应用进展
lipase LIP2 in a recombinant Pichia pastoris［J］. Enzyme Microb
Technol, 2012, 50（1）：22-28.
［28］Wu JM, Fu WC. Intracellular co-expression of Vitreoscilla
hemoglobin enhances cell performance and beta-galactosidase
production in Pichia pastoris［J］. J Biosci Bioeng, 2012, 113（3）：
332-337.
［29］Kurt AG, Aytan E, Ozer U, et al. Production of L-DOPA and
dopamine in recombinant bacteria bearing the Vitreoscilla
hemoglobin gene［J］. Biotechnol J, 2009, 4（7）：1077-1088.
［30］Li M, Wu J, Lin J, et al. Expression of Vitreoscilla hemoglobin
enhances cell growth and dihydroxyacetone production in
Gluconobacter oxydans［J］.Curr Microbiol, 2010, 61（5）：370-
375.
［31］Wang ZY, Hu ZB, Wang ZT. Regulation of Vitreoscilla hemoglobin
on biosynthesis of astragaloside IV［J］. Yao Xue Xue Bao, 2011,
46（3）：355-360.
［32］Kahraman H, Erenler SO. Rhamnolipid production by Pseudomonas
aeruginosa engineered with the Vitreoscilla hemoglobin gene［J］.
Prikl Biokhim Mikrobiol, 2012, 48（2）：212-217.
［33］Shen J, Zheng H, Zhi X, et al. Improvement of amorpha-4,
11-diene production by a yeast-conform variant of Vitreoscilla
hemoglobin［J］. Z Naturforsch C, 2012, 67（3-4）：195-207.
［34］Yadav K, Kumar C, Archana G, et al. Pseudomonas fluorescens
ATCC 13525 containing an artificial oxalate operon and Vitreoscilla
hemoglobin secretes oxalic acid and solubilizes rock phosphate in
acidic alfisols［J］. PLoS One, 2014, 9（4）：e92400.
［35］Holmberg N, Lilius G, Bailey JE, et al. Transgenic tobacco
expressing Vitreoscilla hemoglobin exhibits enhanced growth and
altered metabolite production［J］. Nat Biotechnol, 1997, 15（3）：
244-247.
［36］Zelasco S, Reggi S, Calligari P, et al. Expression of the Vitreoscilla
hemoglobin（VHb）-encoding gene in transgenic white poplar ：
plant growth and biomass production, biochemical characterization
and cell survival under submergence, oxidative and nitrosative
stress conditions［J］. Molecular Breeding, 2006, 17（3）：201-
216.
［37］Wilhelmson A, Kallio PT, Oksman-Caldentey KM, et al. Expression
of Vitreoscilla hemoglobin enhances growth of Hyoscyamus muticus
hairy root cultures［J］. Planta Med, 2005, 71（1）：48-53.
［38］Pendse GJ, Bailey JE. Effect of Vitreoscilla hemoglobin expression
on growth and specific tissue plasminogen activator productivity in
recombinant chinese hamster ovary cells［J］. Biotechnol Bioeng,
1994, 44（11）：1367-1370.
［39］Guan B, Ma H, Wang Y, et al. Vitreoscilla hemoglobin（VHb）
overexpression increases hypoxia tolerance in zebrafish（Danio
rerio）［J］. Mar Biotechnol（NY）, 2011, 13（2）：336-344.
［40］Chung JW, Webster DA, Pagilla KR, et al. Chromosomal
integration of the Vitreoscilla hemoglobin gene in Burkholderia
and Pseudomonas for the purpose of producing stable engineered
strains with enhanced bioremediating ability［J］. J Ind Microbiol
Biotechnol, 2001, 27（1）：27-33.
［41］Patel SM, Stark BC, Hwang KW, et al. Cloning and expression of
Vitreoscilla hemoglobin gene in Burkholderia sp. strain DNT for
enhancement of 2, 4-dinitrotoluene degradation［J］. Biotechnol
Prog, 2000, 16（1）：26-30.
［42］Khleifat KM, Abboud MM, Al-Mustafa AH. Effect of Vitreoscilla
hemoglobin gene（vgb） and metabolic inhibitors on cadmium
uptake by the heterologous host Enterobacter aerogenes［J］.
Process Biochemistry, 2006, 41（4）：930-934.
［43］Xiong XC, Xing JM, Li X, et al. Enhancement of biodesulfurization
in two-liquid systems by heterogeneous expression of Vitreoscilla
hemoglobin［J］. Appl Environ Microbiol, 2007, 73（7）：2394-
2397.
［44］Li H, Yu Z, Xiong X, et al. ［Expression of Vitreoscilla hemoglobin
gene in Pseudomonas delafieldii R-8 and its application to diesel
desulfurization］［J］. Wei Sheng Wu Xue Bao, 2009, 49（8）：
1026-32.
［45］马正 , 刘金秀 , 申屠旭萍 , 等 . 透明颤菌血红蛋白基因在淀粉
酶产色链霉菌中的表达及对合成丰加霉素的影响［J］. 微生
物学通报 , 2013, 40（7）：1175-1185.
［46］Horng YT, Chang KC, Chien CC, et al. Enhanced polyhydroxybuty-
rate（PHB） production via the coexpressed phaCAB and vgb genes
controlled by arabinose PBAD promoter in Escherichia coli［J］.
Lett Appl MicrobiolLetters in Applied Microbiology, 2010, 50（2）：
158-167.
［47］Zhu H, Sun S, Zhang S. Enhanced production of total flavones and
exopolysaccharides via Vitreoscilla hemoglobin biosynthesis in
Phellinus igniarius［J］. Bioresour Technol, 2011, 102（2）：
1747-1751.
［48］Sanny T, Arnaldos M, Kunkel SA, et al. Engineering of ethanolic
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.260
E. coli with the Vitreoscilla hemoglobin gene enhances ethanol
production from both glucose and xylose［J］. Appl Microbiol
Biotechnol, 2010, 88（5）：1103-1112.
［49］Xu M, Rao Z, Xu H, et al. Enhanced production of L-arginine by
expression of Vitreoscilla hemoglobin using a novel expression
system in Corynebacterium crenatum［J］. Appl Biochem
Biotechnol, 2011, 163（6）：707-719.
［50］Li X, Peng RH, Fan HQ, et al. Vitreoscilla hemoglobin
overexpression increases submergence tolerance in cabbage［J］.
Plant Cell Rep, 2005, 23（10-11）：710-715.
［51］Wang Z, Xiao Y, Chen W, et al. Functional expression of
Vitreosci l la hemoglobin（VHb） in Arabidopsis rel ieves
submergence, nitrosative, photo-oxidative stress and enhances
antioxidants metabolism［J］. Plant Science, 2009, 176（1）：66-
77.
（责任编辑 狄艳红）
1964 年，John C. Moore 出版了关于凝胶渗透色谱（GPC）的专著，从此改变了科学家研究聚合物和大分子
的方式。在将近半个世纪后，关于 GPC 的理论、实验技术以及仪器性能均有了突飞猛进的发展，GPC 也已被广
泛应用于工业、农业、医药、卫生、国防等各个领域。在 GPC 技术未出现之前，研究人员大多采用黏度法、渗
透压法和超离心沉淀等方法测量高分子聚合物的分子量，但这些方法不仅费时，而且操作繁琐，另外消耗的溶
剂量也很大。随着 GPC 技术的问世与日渐成熟，研究人员能够在无需花费太高成本、操作简单的情况下，即可
得到聚合物的相对分子量与分子结构，从而为生物医药类高分子和合成高分子材料的开发提供有力支持。
上海交通大学（以下简称交通大学）早在 20 世纪 80 年代就启动了对生物医药类高分子和合成高分子的研
究。在研究初期，多采用传统 GPC 系统进行高分子和合成高分子的检测，该系统只包含示差 RI 或紫外 UV 两
种检测器，有较好的精度和重现性，能够帮助科研人员得到相对分子量信息。但随着研究的一步步深入，要准
确描绘出有助于精确控制聚合物性能的内部结构，除了分子量，聚合物的构象、支化和聚集等结构特征也是关
键参数，而这些信息光凭示差 RI 和紫外 UV 检测器是无法得出的。经过前期的试验测试和专家研究论证，交通
大学最后选择了马尔文的四重检测器 GPC 系统。该系统除了示差、黏度和 PDA 紫外检测器，还包括马尔文最
新推出的拥有 20 个检测角度的 ViscotekSEC-MALS20 多角度光散射检测器。这些检测器被集成在一个色谱温度
控制系统中，在一次测试过程中可以同时收集所有检测器信号，提供所检测高分子的绝对分子量 Mw、Mn、Mz、
分子量分布、高分子的特性黏度 IV、高分子的 Mark-Houwink 曲线、高分子线团的大小以及共聚物的组分信息，
极大地丰富了表征手段，为科研工作提供有力的数据支持。
当前，在大多数聚合物的开发项目中，多检测器 GPC 系统备受青睐。多检测器的组合优势可以将实验效率
最大化，使研究人员在短时间内就能够获取关于聚合物结构的全面信息。
( 信息来源 : 产业新闻社 )
多检测器 GPC 提供全面数据分析生物医药
高分子材料突破点