Biodegradation and Metabolism of Unusual Carbon Compounds by Anoxygenic Phototrophic Bacteria
- 作者
- Ch. Sasikala, Ch. V. Ramana
- 单位
- Environmental Microbial Biotechnology Laboratory, Centre for Environment, IPGS & R, Jawaharlal Nehru Technological University; Microbial Biotechnology Laboratory, Department of Botany, Osmania University
- 杂志
- Advances in Applied Microbiology（1997）
- DOI
- 10.1016/S0065-2911(08)60020-X
- 所属领域
- 微生物学
- 关键词
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解决的核心问题
系统综述厌氧光合细菌（APB）利用非常规碳源（芳香族化合物、醇类、一碳化合物、脂肪酸、聚合物等）进行生长和代谢的能力、生化途径、调控因素及生物技术应用。
研究策略
以紫色非硫细菌为主要对象，按碳源类别（芳香化合物、醇、甲酸/CO、脂肪酸/PHA、聚合物等）综述光代谢途径、关键酶（如苯甲酰CoA连接酶、CO脱氢酶、PHA合酶、淀粉酶）及其调控，并结合实例数据。
核心内容
该文系统综述了厌氧光合细菌（以紫色非硫细菌为主）代谢非常规碳源的能力与机制，涵盖芳香族化合物、醇类、一碳化合物、脂肪酸和聚合物等。作者以苯甲酰CoA连接酶为中心，总结了苯甲酸及其衍生物经还原性苯甲酰CoA途径汇合降解的生化特征，该关键酶分子量约60 kDa且对邻位取代基敏感；在环己烷羧酸上，Rhodopseudomonas palustris倍增时间为7–8小时。同时，论文梳理了CO经一氧化碳脱氢酶（CooA调控）氧化为CO₂并产氢的途径，以及多种菌株利用C5–C18脂肪酸和积累聚羟基烷酸酯（PHA）的能力，其中Rhodobacter sphaeroides以乙酸为碳源时PHA积累达细胞干重的69.9%（3HB占92.7%），Thiocystis violacea则达83.0%。此外还涉及热稳定淀粉酶和金属蛋白酶等胞外酶的酶学特性。研究表明，厌氧光合细菌在厌氧碳循环和环境修复、生物塑料生产中具重要应用潜力。
创新点
首次系统总结了APB对多种非常规碳源（包括异生物质）的光代谢研究，提出苯甲酸作为中心中间体的多种芳香化合物汇合途径，并关注PHAs生物合成与生物技术应用。
研究对象（18）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodopseudomonas palustris | 苯甲酸厌氧降解通路 | — | 苯甲酰CoA连接酶 (benzoyl-CoA ligase) | 催化 | 分子量60 kDa，氧不稳定，对苯甲酸和2-氟苯甲酸特异性高，邻位取代底物活性低 |
| Rhodopseudomonas palustris | 4-羟基苯甲酸降解 | — | 4-羟基苯甲酰CoA连接酶 (4-hydroxybenzoate-CoA ligase) | 催化 | 由4-羟基苯甲酸诱导，基因已克隆测序 |
| Rhodopseudomonas palustris | 环己烷羧酸降解 | — | 环己烷羧酰CoA连接酶 (cyclohexanecarboxylate-CoA ligase) | 催化 | 对环己烷羧酸有活性，对苯甲酰CoA或4-羟基苯甲酰CoA活性很低；菌株在环己烷羧酸上倍增时间7-8 h |
| Rhodospirillum rubrum | 一氧化碳氧化 | cooS | 一氧化碳脱氢酶 (CO dehydrogenase) | 催化 | 镍依赖、氧不稳定，最适pH 8.4，受氰化物抑制 |
| Rhodospirillum rubrum | 一氧化碳氧化 | cooF | Fe-S蛋白 | 能量供给 | 参与电子传递，与CO脱氢酶偶联 |
| Rhodospirillum rubrum | 一氧化碳氧化 | cooH | CO不敏感氢化酶 | 催化 | 催化CO+H2O生成CO2+H2，与CO脱氢酶共同完成CO氧化 |
| Rhodospirillum rubrum | 一氧化碳氧化（调控） | cooA | CooA转录激活因子 | 调控 | CO诱导coo regulon表达，属于cAMP受体蛋白家族 |
| Rhodopseudomonas sp. | 聚羟基烷酸酯 (PHA) 合成 | — | PHA合酶 | 催化 | 以CO和H2为底物时PHA积累达细胞干重18%，为3HB:3HV=70:30的共聚物 |
| Rhodobacter sphaeroides | 聚羟基烷酸酯 (PHA) 合成 | — | PHA合酶 | 催化 | 乙酸为碳源时PHA含量达69.9%细胞干重，其中3HB 92.7%、3HV 7.3% |
| Rhodospirillum rubrum | PHB合成 | — | 3-酮硫醇酶 (acetyl-CoA acetyltransferase) | 催化 | EC 2.3.1.9，催化乙酰CoA缩合为乙酰乙酰CoA |
| Rhodospirillum rubrum | PHB合成 | — | 乙酰乙酰CoA还原酶 (acetoacetyl-CoA reductase) | 催化 | EC 1.1.1.36，催化乙酰乙酰CoA还原为3-羟基丁酰CoA |
| Rhodocyclus gelatinosus | 淀粉降解 | — | 淀粉酶 | 催化 | 分子量约56 kDa，最适温度40°C，最适pH 6.0，产生麦芽低聚糖 |
| Chloroflexus aurantiacus | 淀粉降解 | — | 热稳定淀粉酶 | 催化 | 最适温度71°C，最适pH 7.5，产生麦芽四糖和麦芽三糖 |
| Chloroflexus aurantiacus | 蛋白降解 | — | 金属蛋白酶I | 催化 | 分子量66 kDa，最适pH 8.0，最适温度70°C（稳定至75°C），耐8M尿素和1% SDS，受EDTA、EGTA和邻菲罗啉抑制 |
| Rhodobacter sphaeroides OUS | 芳香化合物生物转化 | — | — | 催化 | 可将含氮芳香化合物转化为硝基苯，将苯丙氨酸/4-羟基苯甲酸转化为水杨酸，可将邻氨基苯甲酸转化为吲哚，再生成色氨酸 |
| Rhodobacter capsulatus | 硝基酚降解 | — | — | 催化 | 能将2,4-二硝基酚转化为2-氨基-4-硝基酚；对一硝基和二硝基酚的光降解需要乙酸盐共代谢 |
| Rhodopseudomonas palustris | 芳香化合物降解 | — | — | 催化 | 能利用苯甲酸、3-氯苯甲酸、香草酸、丁香酸、苯酚、对硝基酚等作为碳源，但不能利用邻位取代芳香化合物 |
| Rhodocyclus gelatinosus | 间苯三酚降解 | — | — | 催化 | 无细胞提取物在胱氨酸、NADPH和EDTA存在下将间苯三酚转化为二氢间苯三酚 |
关键发现
- 苯甲酸光代谢关键酶苯甲酰CoA连接酶分子量60 kDa，氧不稳定，对苯甲酸和2-氟苯甲酸活性最高，邻位取代基降低反应速率。
- R. palustris在环己烷羧酸上倍增时间7-8 h。
- 多种芳香化合物对R. palustris生长抑制浓度：苯甲酸8.9 mM、对羟基苯甲酸8.5 mM、肉桂酸9 mM、对香豆酸7.7 mM、苯乙酸9.9 mM、肉桂醇2.4 mM。
- 在CO+H2生长时，Rhodopseudomonas sp.积累PHA达细胞干重的18%，其中3HB占70%、3HV占30%。
- 31株紫色非硫细菌中27株能利用C5-C18脂肪酸；R. gelatinosus和R. tenuis可利用C5-C18，R. gelatinosus部分利用C20和C22。
- PHA积累量：R. sphaeroides以乙酸为碳源达69.9%细胞干重（3HB
- 7%、3HV
- 3%），R. capsulatus
- 7%，R. palustris
- 2%；Thiocystis violacea在乙酸下达83.0%。
- Rhodocyclus gelatinosus淀粉酶分子量约56 kDa，最适40°C、pH6.0；Chloroflexus aurantiacus热稳定淀粉酶最适71°C、pH7.5；其金属蛋白酶I分子量66 kDa，最适pH8.0、70°C，耐8M尿素。
研究结论
厌氧光合细菌（尤其是紫色非硫细菌）在厌氧碳循环中扮演重要角色，能够代谢多种非常规碳源（芳香化合物、醇、CO/甲酸、脂肪酸、聚合物等），并通过还原性苯甲酰CoA途径、CO脱氢酶途径等实现降解；同时积累PHAs、产生多种生物活性分子，在环境修复、生物塑料、氢气和化学品生产方面具有应用潜力。