Ацетогены - от зарождения жизни до биотехнологического применения (аннотация)Ацетогены - от зарождения жизни до биотехнологического применения
Ацетогенные бактерии - это интересная группа строгих анаэробных бактерий, характеризующихся путем - путем Вуда-Люнгдаля (WLP), в котором две молекулы углекислого газа (CO2) восстанавливаются и конденсируются до одной молекулы ацетил-КоА.
Этот продукт фиксации CO2 является ключевым промежуточным продуктом анаболизма, поскольку он является предшественником всех клеточных компонентов в ацетогенах. Ацетил-КоА также является ключевым промежуточным продуктом катаболизма, где он далее преобразуется в ацетат через ацетилфосфат, который является единственной АТФ-генерирующей реакцией восстановления CO2.
Поскольку один АТФ расходуется на активацию промежуточного формиата в WLP, общий прирост АТФ равен нулю. Поэтому ацетогенам необходим дополнительный способ сохранения энергии. В качестве восстановителя в WLP используется водород. Он активируется гидрогеназами, а затем электроны передаются на переносчики электронов (например, NAD+, ферредоксин, NADP+), которые различаются у разных видов с помощью целого ряда растворимых и мембранно-связанных трансгидрогеназ. Восстановленные переносчики электронов, в свою очередь, обеспечивают электронами WLP.
Секрет сохранения энергии в ацетогенах, растущих в среде H2+CO2, заключается в избытке восстановленного ферредоксина (Fdred), образующегося при окислении H2, который в свою очередь повторно окисляется мембраносвязанными комплексами ферментов, комплексом Rnf или гидрогеназами Ech. Эти ферменты в то же время обеспечивают NADH, NADPH или H2 для WLP и сохраняют энергию путем транслокации ионов натрия или протонов. Из семи известных путей фиксации CO2, WLP имеет наиболее благоприятный баланс АТФ (для синтеза ацетил-КоА требуется один АТФ) и поэтому считается самым старым биохимическим процессом на Земле и отправной точкой для синтеза живой материи из CO2 и H2 или монооксида углерода (CO), газообразных соединений, присутствовавших на ранней Земле.
Действительно, ацетогены растут путем ацетогенеза в среде H2 + CO2, и у них есть дополнительные, хемиосмотические механизмы сохранения энергии, которые обеспечивают чистый синтез АТФ, как упоминалось выше. Восстановление CO2 до ацетил-КоА с Н2 в качестве восстановителя также осуществляется метаногенными археями в процессе их анаболизма, но при катаболизме метильная группа высвобождается в виде метана.
В статье W. Martin обсуждается возможную эволюцию метаногенеза и ацетогенеза, выделяет сходства и различия и автор критически подходит к вопросу о том, действительно ли WLP был первым путем фиксации CO2.
В этом же ключе Lemaire et al. обсуждают на более биохимическом уровне различные стратегии фиксации CO2 у ацетогенов и метаногенов, уделяя особое внимание механизмам сохранения энергии. Авторы используют термин "энергетические экстремофилы" для организмов, которые сохраняют лишь часть АТФ на оборот субстрата. Действительно, ацетогены растут вблизи термодинамического предела жизни (ΔG0' < -30 кДж моль-1). Авторы подчеркивают важность и механику бифуркации электронов в энергетическом метаболизме обеих групп. Этот механизм связывает окислительно-восстановительный гомеостаз, например, одновременное восстановление NAD+ и Fd электронобифуркационной гидрогеназой, с сохранением энергии, поскольку Fdred может использоваться для сохранения хемиосмотической энергии или для приведения в действие реакций при низком потенциале, таких как восстановление CO2, "экономя АТФ".
Метаногенез термодинамически предпочтительнее ацетогенеза, и поэтому метаногены конкурируют с ацетогенами при росте в среде H2 + CO2. Fu et al. демонстрируют предпочтение хемолитотрофного ацетогенеза при 15°C и 50°C, в то время как гидрогенотрофный метаногенез доминирует при 30°C. Однако при определенных условиях ацетогены преобладают. Fazi et al. сообщают, что в естественной среде с высокой концентрацией CO2 ацетогены обогащаются и конкурируют с метаногенами. Метаногены являются археями, а ацетогены - бактериями, но используют один и тот же путь фиксации CO2 до ацетил-КоА - WLP.
Давнее предположение о том, что ацетогенез должен присутствовать и в археях, было признано верным в последнее десятилетие. Loh et al. рассматривают WLP в батиархеоне, выделенном из задней кишки термита, который отличается от бактериального. Различная газовая доступность также влияет на распространенность определенных ацетогенов. В своем обзоре Philips обсуждает различные механизмы катодного поглощения электронов ацетогенами в свете термодинамики и кинетики поглощения H2. Автор предполагает, что способность ацетогенов процветать на катодах коррелирует со способностью поддерживать низкое парциальное давление H2.
WLP используется ацетогенами не только для восстановления CO2, но и для окисления еще более восстановленных углеродных соединений, таких как формиат или метильные группы (получаемые, например, из метанола). А некоторые ацетогены могут даже окислять ацетат до CO2 и производить H2. Одним из таких организмов является Thermoacetogenium phaeum. Keller et al. рассмотрели ферменты, участвующие в обратном WLP, и энергетику окисления ацетата; они представили интересные данные об обратном транспорте электронов в энергетической связи и метаболические схемы биоэнергетики окисления ацетата.
WLP обеспечил рост первых форм жизни на Земле и используется многими бактериями для хемолитоавтотрофного роста в среде H2 + CO2, а некоторыми - для хемоорганогетеротрофного роста на ацетате. Однако метаболизм ацетогенов гораздо интереснее и разнообразнее. Они могут расти на сахарах, карбоновых кислотах, альдегидах, а также на первичных и вторичных спиртах. Многие из этих субстратов могут быть окислены только ацетогенами, поскольку электроны, полученные в результате окисления, переносятся на CO2, который используется в качестве акцептора электронов; в этих условиях WLP действует как поглотитель электронов.
Это было экспериментально продемонстрировано Jain et al. С помощью новой генетической системы авторы нокаутировали гены, кодирующие ключевой фермент WLP в термофильной ацетогенной бактерии Thermoanaerobacter kivui, и обнаружили, что клетки больше не способны расти на органических субстратах. Добавление формиата восстановило рост, что подтверждает важность WLP для окислительно-восстановительного баланса. Аналогично, Moon et al. показали, что окисление восстановленного сахарного спирта маннита зависит от внешнего CO2 в качестве акцептора электронов.
Разнообразный метаболизм ацетогенов является следствием их филогенетического разнообразия. Ацетогенез не является филогенетическим признаком, но встречается во многих различных филогенетических линиях. Valk et al. обнаружили образование ацетата в форме галактуроната у нового вида семейства Lachnospiraceae с помощью WLP; однако в последовательностях метагенома отсутствует кластер канонических генов ацетил-КоА синтазы/CO дегидрогеназы (ACS/CODH), и авторы предполагают наличие новой ACS/CODH у этого вида.
Merino et al. выделили микробиоту горячего источника в Японии и обнаружили новые актинобактерии. На основе прогнозирования метаболических путей выяснилось, что эти актинобактерии являются анаэробами, способными к гликолизу, диссимиляционному восстановлению нитратов и фиксации CO2 через WLP.
Даже внутри рода Moorella есть свои сюрпризы. Redl et al. проводят комплексный анализ генома всех штаммов Moorella и ставят под сомнение различия между ранее признанными штаммами Moorella thermoacetica и Moorella thermoautotrophica.
Ацетогены являются основными кандидатами в качестве производственных платформ, основанных на CO2, но продукты, которые могут быть образованы из CO2, могут быть ограничены из-за энергетических ограничений. Некоторые ацетогены могут использовать акцепторы электронов помимо CO2, такие как нитрат или диметилсульфоксид, и одновременное использование двух различных акцепторов электронов может способствовать потоку углерода к более восстановленным конечным продуктам.
Klask et al. сообщают, что добавление нитрата не только усиливает рост Clostridium ljungdahlii, но и смещает спектр продуктов в сторону этанола. В дополнение к этому, Zhu et al. сообщают, что добавление монооксида углерода повышает уровень АТФ в клетках и таким образом обеспечивает образование этанола в Clostridium ljungdahlii. Окислительно-восстановительный потенциал CO позволяет увеличить количество восстановлений ферредоксина, топлива для сохранения хемиосмотической энергии, что приводит к увеличению количества АТФ. Однако CO очень токсичен, и токсичность CO на уровне целой клетки плохо изучена.
Kang et al. сообщают об адаптивной лабораторной эволюции Eubacterium limosum ATCC 8486 на монооксиде углерода. Анализ генома эволюционировавшего штамма выявил мутации в ACS/CODH, и когда эти мутации были созданы в диком типе, наблюдался тот же фенотип, что подчеркивает роль ACS/CODH в токсичности CO.
Arantes et al. выделили новый штамм Acetobacterium wieringae, способный расти в среде CO, что не характерно для видов Acetobacterium. Геномный анализ показал, что причиной явной нечувствительности к CO является формиатдегидрогеназа.
В целом, 16 публикаций в этом обзоре столь же разнообразны, как и сама эта группа бактерий, что отражает важность ацетогенов для понимания фундаментальных и древних принципов жизни, которые столь же широко распространены в природе и представляют биотехнологический интерес.
