Respiratory Chain Analysis of Zymomonas mobilis Mutants Producing High Levels of Ethanol
- 作者
- Takeshi Hayashi, Tsuyoshi Kato, Kensuke Furukawa
- 单位
- Department of Food and Fermentation Science, Faculty of Food and Nutrition, Beppu University; Food Science and Nutrition, Graduate School of Food Science and Nutrition, Beppu University
- 杂志
- Applied and Environmental Microbiology（2012）
- DOI
- 10.1128/AEM.00733-12
- 所属领域
- 代谢工程/发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明Zymomonas mobilis高乙醇产量呼吸缺陷突变株的呼吸链缺陷类型及其对好氧生长、乙醇生产和耐热性的影响。
研究策略
对11株呼吸缺陷突变株（RDM）进行呼吸链酶活测定、基因突变分析、互补实验和细胞形态观察，结合qPCR和序列分析确定关键基因突变。
核心内容
本研究以运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）ZM6及其11株呼吸缺陷突变株（RDM）为对象，通过呼吸链酶活测定、基因突变分析、互补实验和细胞形态观察，系统解析了高乙醇产量突变株的呼吸链缺陷类型及其对好氧生长、乙醇生产和耐热性的影响。结果显示，NADH脱氢酶（ndh）活性丧失是突变株高乙醇产量和耐热性的主要原因，ndh基因突变包括G541A（Gly181Ser）、T857C（Leu286Pro）、391-1057缺失及GAAGA插入移码等；RDM-1/2在cydA上发生G1285A突变，RDM-6/7在cydB上发生A1160G突变。NADH脱氢酶缺陷株在好氧条件下生长和产乙醇能力均显著提升，其中RDM-9的酒精脱氢酶活性较野生型提高70倍。互补实验将RDM-4的乙醇产量从1.1%降至0.4%，而部分菌株未能恢复表型提示存在其他突变。该研究明确了II型NADH脱氢酶是影响Z. mobilis呼吸链表型和乙醇生产的关键靶点，为代谢工程改造提升乙醇发酵效率提供了理论依据。
创新点
系统解析了RDM菌株的呼吸链缺陷，发现NADH脱氢酶活性丧失是高乙醇产量和耐热性的主要原因，并揭示了多个ndh、cydA、cydB基因的具体突变位点。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Zymomonas mobilis ZM6 (ATCC 29191)及RDM突变株 | 呼吸链（电子传递链） | ndh | II型NADH脱氢酶 | 催化 | 催化NADH氧化并将电子传递给Q10，缺陷导致高乙醇生产与耐热性 |
| Zymomonas mobilis ZM6及RDM突变株 | 呼吸链（电子传递链） | cydA, cydB | 细胞色素bd型泛醇氧化酶 | 催化 | 终末氧化酶，催化Q10H2氧化并还原氧，缺陷导致呼吸减弱 |
| Zymomonas mobilis ZM6及RDM突变株 | 呼吸链（电子传递链） | ccp | 细胞色素c过氧化物酶 | 催化 | 催化H2O2还原，参与氧化应激防御，RDM-10中活性极低 |
| Zymomonas mobilis ZM6及RDM突变株 | 乙醇发酵途径 | adhA | 酒精脱氢酶 | 催化 | 催化乙醇与乙醛互变，RDM-9在高温下活性极高（较野生型提高70倍） |
关键发现
- RDM-4、RDM-5、RDM-8、RDM-9、RDM-11等NADH脱氢酶缺陷株在好氧条件下表现出更高的生长和乙醇产量，其中RDM-9的酒精脱氢酶活性较野生型提高70倍。ndh基因突变包括G541A（Gly181Ser）、T857C（Leu286Pro）、391-1057缺失及GAAGA插入导致移码
- RDM-1/2在cydA上发生G1285A（Gly429Arg），RDM-6/7在cydB上发生A1160G（Leu386Pro）。互补实验将RDM-4的乙醇产量从1.1%降至0.4%，而RDM-9、RDM-2、RDM-3、RDM-10的互补实验未能恢复表型，提示存在其他突变。
研究结论
NADH脱氢酶缺陷使Zymomonas mobilis获得更高的好氧生长、增强的乙醇生产和耐热性，该酶是影响Z. mobilis呼吸链表型的关键靶点。