A derivative of the menaquinone precursor 1,4-dihydroxy-2-naphthoate is involved in the reductive transformation of carbon tetrachloride by aerobically grown Shewanella oneidensis MR-1
- 作者
- M. J. Ward, Q. S. Fu, K. R. Rhoads, C. H. J. Yeung, A. M. Spormann, C. S. Criddle
- 单位
- Departments of Civil & Environmental Engineering, Stanford University; Departments of Biological Sciences and Geological and Environmental Sciences, Stanford University; Department of Geography and Environmental Engineering, The Johns Hopkins University
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2003）
- DOI
- 10.1007/s00253-003-1407-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
需氧生长的Shewanella oneidensis MR-1还原转化四氯化碳（CT）的分子机制，尤其是甲萘醌（menaquinone）及其前体1,4-二羟基-2-萘甲酸（DHNA）是否参与该过程。
研究策略
通过构建甲萘醌生物合成途径不同步骤的基因插入失活突变体（menF、menB、menA、menG），比较需氧和厌氧生长细胞对CT的转化活性；利用DHNA回补实验和体外化学实验验证DHNA衍生物的作用。
核心内容
该研究通过构建Shewanella oneidensis MR-1甲萘醌生物合成途径中menF、menB、menA、menG四个基因的插入失活突变体，比较需氧与厌氧生长细胞对四氯化碳（CT）的还原转化活性，以阐明其分子机制。需氧条件下，野生型菌株的CT转化伪二级速率常数为0.219 ml/(mg protein·h)，menF和menB突变体分别降至0.011和0.009，而menA和menG突变体几乎不受影响（0.216和0.187）；向menF和menB突变体回补1,4-二羟基-2-萘甲酸（DHNA）后，速率常数分别恢复至0.104和0.126，但DHNA在体外（0.15–15 μM）不能直接还原CT。厌氧条件下，所有突变体的转化速率均与野生型相近（0.087–0.093 vs 0.110）。结果表明，需氧生长时还原CT的活性分子是DHNA的衍生物而非甲萘醌本身，且该途径依赖menF与menB基因；厌氧条件下则产生另一种与甲萘醌途径无关的脱氯因子，两种机制均伴随13–26%氯仿生成。这一发现揭示了MR-1菌株在不同氧环境下利用不同分子还原卤代污染物的适应性机制。
创新点
首次证明需氧生长细胞中还原CT的活性分子是甲萘醌前体DHNA的衍生物而非甲萘醌本身；并发现厌氧生长时产生另一种与甲萘醌途径无关的脱氯因子。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Shewanella oneidensis MR-1 | menaquinone biosynthetic pathway | menF | MenF (isochorismate synthase) | 催化 | 催化分支酸转化为异分支酸，甲萘醌生物合成第一步 |
| Shewanella oneidensis MR-1 | menaquinone biosynthetic pathway | menB | MenB (DHNA synthase) | 催化 | 催化OSB-CoA转化为1,4-二羟基-2-萘甲酸（DHNA） |
| Shewanella oneidensis MR-1 | menaquinone biosynthetic pathway | menA | MenA (DHNA octaprenyltransferase) | 催化 | 催化DHNA转化为脱甲基甲萘醌 |
| Shewanella oneidensis MR-1 | menaquinone biosynthetic pathway | menG | MenG (methyltransferase) | 催化 | 催化脱甲基甲萘醌甲基化生成甲萘醌 |
| Shewanella oneidensis MR-1 | menaquinone biosynthetic pathway | menC | MenC (OSB synthase) | 催化 | 参与合成2-琥珀酰苯甲酸（OSB），位于menC-menD-menE操纵子 |
| Shewanella oneidensis MR-1 | menaquinone biosynthetic pathway | menD | MenD (SHCHC synthase) | 催化 | 催化异分支酸转化为SHCHC |
| Shewanella oneidensis MR-1 | menaquinone biosynthetic pathway | menE | MenE (OSB-CoA synthase) | 催化 | 催化OSB转化为OSB-CoA |
关键发现
- 需氧条件下，野生型MR-1的CT转化伪二级速率常数k'=0.219±0.003 ml/(mg protein·h)，menF突变体为0.011±0.001，menB突变体为0.009±0.002，menA突变体为0.216±0.005，menG突变体为0.187±0.004
- 向menF和menB突变体添加DHNA后k'分别恢复至0.104±0.002和0.126±0.004。厌氧（TMAO为电子受体）条件下，所有men突变体k'均与野生型（0.110±0.004）接近，范围0.087–0.093。需氧条件下野生型及menA、menG突变体产生13–26%氯仿（CF）。DHNA在体外（0.15–15 μM）不能还原CT。
研究结论
Shewanella oneidensis MR-1至少产生两种能还原四氯化碳的分子：需氧生长时产生一种DHNA衍生物（非甲萘醌），厌氧生长时产生另一种与甲萘醌生物合成途径无关的分子；两种机制均伴随氯仿生成。