Overflow metabolism at the thermodynamic limit of life: How carboxydotrophic acetogens mitigate carbon monoxide toxicity
- 作者
- Maximilienne T. Allaart, Martijn Diender, Diana Z. Sousa, Robert Kleerebezem
- 单位
- Department of Biotechnology, Delft University of Technology; Laboratory of Microbiology, Wageningen University & Research
- 杂志
- Microbial Biotechnology（2023）
- DOI
- 10.1111/1751-7915.14212
- 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
羧基营养型产乙酸菌如何通过代谢策略缓解一氧化碳的毒性，并在高可变底物通量下维持高效生长和产物生成。
研究策略
以Clostridium autoethanogenum为模型菌，结合连续培养实验数据、转录组分析和热力学计算，提出乙酸还原为乙醇是一种溢流代谢形式，用以应对CO进入细胞后产生的过量还原力。
核心内容
本研究以食一氧化碳产乙酸菌Clostridium autoethanogenum为模型，结合连续培养、转录组分析和热力学计算，揭示了其应对CO毒性的溢流代谢机制。研究发现，CO脱氢酶氧化CO的估算速率（3.63×10⁻¹⁵ mol/s）与CO最大扩散速率（约2.3×10⁻¹⁵ mol/s）同数量级，表明CO进入细胞后即被迅速解毒，但由此产生过量还原性铁氧还蛋白通量波动。作者提出乙酸还原为乙醇是一种能量效率较低的电子溢出路径，其理论ATP产率为0.273 mol/mol CO，低于乙酸生成的0.375 mol/mol CO。连续培养中乙醇生成速率随稀释速率线性增加，而中心碳代谢基因表达基本不变；以H₂/CO₂培养时，稀释速率从0.02提高至0.04 h⁻¹即发生洗出，而CO培养可支持最高0.12 h⁻¹的生长，显示CO底物具有更强还原力缓冲能力。缺乏醛铁氧还蛋白氧化还原酶的Acetobacterium woodii对CO敏感。该发现首次将溢流代谢概念拓展至接近热力学极限的产乙酸菌代谢，表明通过乙酸还原为乙醇快速重氧化还原载体是应对CO毒性的关键，并提示可通过控制比生长速率或电子摄取速率调控气体发酵产物谱。
创新点
首次将溢流代谢概念拓展到接近热力学极限的产乙酸菌代谢中；提出CO脱氢酶快速氧化CO导致还原性铁氧还蛋白通量波动，而乙酸还原为乙醇提供了一条短且能量效率较低的电子溢出路径；从热力学和动力学角度解释了产物谱随生长速率变化的现象。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium autoethanogenum | Wood-Ljungdahl pathway | — | CODH (carbon monoxide dehydrogenase) | 催化 | 催化CO氧化为CO2并还原铁氧还蛋白，是CO解毒第一步 |
| Clostridium autoethanogenum | Wood-Ljungdahl pathway | — | Rnf complex | 能量供给 | 电子歧化复合物，利用还原铁氧还蛋白建立跨膜阳离子梯度，用于ATP合成 |
| Clostridium autoethanogenum | 乙酸还原为乙醇途径 | — | AOR (aldehyde ferredoxin oxidoreductase) | 催化 | 催化乙酸还原为乙醛，消耗还原铁氧还蛋白 |
| Clostridium autoethanogenum | 乙酸还原为乙醇途径 | — | ADH (alcohol dehydrogenase) | 催化 | 催化乙醛还原为乙醇，消耗NADH |
| Clostridium autoethanogenum | Wood-Ljungdahl pathway | — | NiFe/FeFe hydrogenase | 催化 | 对CO敏感的金属酶，CO解毒需防止其被抑制 |
| Clostridium ljungdahlii | Wood-Ljungdahl pathway | — | — | 调控 | 基因组规模代谢模型预测乙醇为溢流产物，调控受热力学控制而非转录水平 |
关键发现
- CODH催化CO氧化速率估算为3.63×10^-15 mol/s，而CO最大扩散速率约为2.3×10^-15 mol/s，两者同数量级，表明CO进入细胞后即刻被解毒。在C. autoethanogenum连续培养中，乙醇生成速率随稀释速率（生长速率）增加而线性增加，转录组显示中心碳代谢基因表达水平基本不变。CO发酵生成乙酸的理论ATP产率为0.375 mol/mol CO，而乙酸还原为乙醇为0.273 mol/mol CO
- H2/CO2产乙酸为0.240 mol/mol电子供体。H2/CO2培养在稀释速率从0.02 h^-1提高到0.04 h^-1时洗出，而CO培养可支持最高0.12 h^-1的生长。外源乙酸促进溢流产物形成，缺乏AOR的Acetobacterium woodii对CO敏感。
研究结论
羧基营养型产乙酸菌通过乙酸还原为乙醇的溢流代谢路径，在高CO通量下快速重氧化还原载体，避免铁氧还蛋白库过度还原和酶抑制。溢流代谢是应对CO毒性的关键机制，可通过控制比生长速率或比电子摄取速率来调控气体发酵产物谱。