Молекулярная характеристика путей недостающих электронов синтеза бутанола у Clostridium acetobutylicum

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4691 (2022) Цитировать эту статью

2654 Доступа

4 цитаты

Подробности о метриках

Clostridium acetobutylicum — многообещающий биокатализатор для возобновляемого производства н-бутанола. Уже разработано несколько метаболических стратегий для увеличения выхода бутанола, чаще всего основанных на перенаправлении углеродного пути. Однако ранее было продемонстрировано, что активность как ферредоксин-НАДФ+-редуктазы, так и ферредоксин-НАД+-редуктазы, кодирующие гены которых остаются неизвестными, необходима для производства НАДФН и дополнительного НАДН, необходимого для синтеза бутанола в сольвентогенных условиях. Здесь мы очищаем, идентифицируем и частично охарактеризуем белки, ответственные за обе активности, и демонстрируем участие идентифицированных ферментов в синтезе бутанола с помощью обратного генетического подхода. Мы также продемонстрировали, что выход образования бутанола ограничен уровнем экспрессии CA_C0764, гена, кодирующего ферредоксин-НАДФ+ редуктазу, и оперона bcd, кодирующего ферредоксин-НАД+ редуктазу. Интеграция этих ферментов в стратегии метаболической инженерии открывает возможности для разработки гомобутанологического штамма C. acetobutylicum.

Clostridium acetobutylicum — грамположительная спорообразующая анаэробная бактерия, способная превращать различные сахара и полисахариды в органические кислоты (ацетат и бутират) и растворители (ацетон, бутанол и этанол). Из-за его важности в промышленном производстве сыпучих химикатов ацетона и бутанола1,2,3 и его потенциального использования в производстве н-бутанола, многообещающего жидкого топлива биологического происхождения с рядом преимуществ перед этанолом4,5, многие исследования были сосредоточены на ( i) понимание регуляции образования растворителей6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 и (ii) метаболическая инженерия этого микроорганизма для производства спиртов с высоким выходом16,17,18.

Используя подход глобальной системной биологии для характеристики сольвентогенного метаболизма фосфат-ограниченной хемостатной культуры C. acetobutylicum, ранее были охарактеризованы шесть стадий, участвующих в превращении ацетил-КоА в бутанол (рис. 1)19: основной фермент Было показано, что за восстановление кротонил-КоА до бутирил-КоА отвечает комплекс BCD (кодируемый bcd, etfB и etfA, опероном bcd), разветвляющийся фермент, потребляющий два моля НАДН и продуцирующий один моль восстановленного ферредоксина, и Было показано, что последние два этапа производства бутанола катализируются AdhE1 через его НАДН-зависимую альдегиддегидрогеназную активность и BdhB, BdhC и BdhA через их НАДФН-зависимую бутанолдегидрогеназную активность. Эти результаты оказали сильное влияние на распределение электронного потока, поскольку было продемонстрировано, что активность как ферредоксин-НАДФ+ редуктазы, так и ферредоксин-НАД+ редуктазы необходима для производства НАДФН и дополнительного НАДН, необходимого для синтеза бутанола из ацетил-КоА (рис. 2). 19. Хотя активность этих ферментов ранее была обнаружена у C. acetobutylicum6,20, кодирующие гены оставались неизвестными19,21. Ферменты ферредоксин-НАДФ+ редуктаза (FNOR) (EC 1.18.1.3) распространены среди множества аэробных организмов, от прокариот до эукариот, особенно в растениях22, но никогда не были очищены и охарактеризованы из каких-либо видов клостридий. Напротив, ферредоксин-зависимое восстановление NAD+ в сочетании с экспортом протонов (Rnf) и ферредоксин-зависимыми трансгидрогеназами (Nfn) было охарактеризовано с молекулярной точки зрения у нескольких видов клостридий, но у C. acetobutylicum не было обнаружено гомологов23,24,25. Более того, было показано, что C. acetobutylicum не способен продуцировать НАДФН по окислительному пентозофосфатному пути, поскольку ген, кодирующий глюкозо-6-Ф дегидрогеназу, первый и ключевой фермент этого пути, отсутствует19,26.

Зелёный прямоугольник указывает на первичные продукты в ацидогенных условиях, а красный — на первичные продукты в сольвентогенных условиях. Буквы красного цвета и курсива обозначают соответствующие гены. ack ацетаткиназа, adc ацетоацетатдекарбоксилаза, adhE1 альдегиддегидрогеназа, adhE2 бифункциональная альдегид/алкогольдегидрогеназа, alsD альфа-ацетолактатдекарбоксилаза, alsS ацетолактатсинтаза, bcd бутирил-КоА дегидрогеназа, bdh бутанолдегидрогеназа, бук бутираткиназа, crt кротоназа , ctfAB-КоА-трансфераза , etf флавопротеин переноса электронов, hbd 3-гидроксибутирил-КоА-дегидрогеназа, гидроксидаза, fnor ферредоксин-NAD(P)+ оксидоредуктазы, pdc пируватдекарбоксилаза, pfor пируват:ферредоксиноксидоредуктаза, pta фосфотрансацетилаза, ptb фосфотрансбутирилаза, thl тиолаза, GapC NADH-зависимый глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, нефосфорилирующая GapN НАДФН-продуцирующая глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, Fd ox представляет собой окисленный ферредоксин, тогда как Fd red представляет собой восстановленный ферредоксин.