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文章背景簡(jiǎn)介  

BACKGROUND INTRODUCTION

不久之前，中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的科研人員們，成功的利用二氧化碳合成了淀粉，使人們對(duì)于二氧化碳在合成生物學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值，產(chǎn)生了更高的關(guān)注與期待。

產(chǎn)乙酸微生物可以利用有機(jī)底物，如糖、氫氣（H2）、二氧化碳（CO2）。嗜熱產(chǎn)乙酸的厭氧微生物Thermoanaerobacter kivui是少數(shù)利用甘露醇的產(chǎn)乙酸微生物之一，這一過(guò)程依賴于編碼甘露醇吸收、磷酸化和甘露醇－1－磷酸氧化為果糖－6－磷酸的基因簇。

大多數(shù)產(chǎn)乙酸菌以C6糖（例如：葡萄糖和甘露醇）為基質(zhì)異養(yǎng)生長(zhǎng)：

葡萄糖產(chǎn)乙酸：C6H12O6 ＋ 2H2O→ 2CH3COOH ＋ 2CO2 ＋ 8［H］（1）

2CO2 ＋ 8［H］→ CH3COOH ＋ 2H2O（2）

C6H12O6→ 3CH3COOH（3）

甘露醇產(chǎn)乙酸：C6H14O6 ＋ 2H2O→ 2CH3COOH ＋ 2CO2 ＋ 10［H］（4）

甘露醇是褐藻中一種豐富的儲(chǔ)備碳水化合物，那當(dāng)?shù)孜餅楦事洞紩r(shí)，是如何代謝的呢？且甘露醇發(fā)酵相對(duì)于葡萄糖多產(chǎn)生了兩個(gè)［H］，那么兩個(gè)電子去了哪里？在產(chǎn)乙酸菌轉(zhuǎn)化甘露醇的過(guò)程中，電子要么沉積在糖氧化的中間產(chǎn)物上、產(chǎn)生比乙酸更還原的產(chǎn)物，要么沉積在外部電子受體上。

Wood－Ljungdahl通路（WLP） 是一種古老的碳固定通路。一些厭氧微生物如產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等主要通過(guò) Wood－Ljungdahl通路， 依靠 CO／CO2和氫氣為碳源和能源， 合成乙酰輔酶A， 進(jìn)行物質(zhì)和能量代謝。Wood－Ljungdahl通路廣泛存在于厭氧細(xì)菌和古細(xì)菌中， 用于合成代謝和分解代謝。然而，甘露醇氧化與WLP的耦合尚未在任何產(chǎn)乙酸菌中詳細(xì)研究。

2020年11月，來(lái)自德國(guó)法蘭克福約翰沃爾夫?qū)�歌德大學(xué)的Jimyung Moon等在《Front Microbiol》（IF＝4．235，生物二區(qū)微生物學(xué)二區(qū)）發(fā)表了題為“Homoacetogenic conversion of mannitol by the thermophilic acetogenic bacterium Thermoanaerobacter kivui requires external CO2”的文章。作者通過(guò)各種條件下生長(zhǎng)細(xì)胞和細(xì)胞懸浮液的生理實(shí)驗(yàn)，提出了厭氧微生物Thermoanaerobacter kivui中甘露醇的代謝模型。對(duì)磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)攝取甘露醇和通過(guò)耐高溫甘露醇－1－磷酸脫氫酶轉(zhuǎn)化甘露醇－1－磷酸進(jìn)行了研究，包括三種主要的氫化酶，以解釋［H］如何在糖酵解過(guò)程中生成乙酸或乙酸＋H2。研究發(fā)現(xiàn)，T． kivui在生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)化甘露醇的過(guò)程中，是利用外部CO2作為額外的電子受體。

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所用到的主要方法

METHODS  

高效液相色譜法（HPLC）

氣相色譜法（GC）

微生物生長(zhǎng)曲線繪制

靜息細(xì)胞實(shí)驗(yàn)

基質(zhì)減少和產(chǎn)物形成分析

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文章主要內(nèi)容摘要

ABSTRACT

T．kivui休眠細(xì)胞和生長(zhǎng)細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)表明，在有HCO3?的條件下，甘露醇以同型乙酸的方式“發(fā)酵”被快速消耗，即乙酸是唯一的產(chǎn)物，且乙酸與甘露醇的比例高于3；在無(wú)HCO3?的培養(yǎng)條件下，每個(gè)甘露醇產(chǎn)生的乙酸比例顯著降低，孵育3小時(shí)后，加入HCO3?，甘露醇的消耗和乙酸的生成再次加快。根據(jù)前述方程式，多余的2個(gè)轉(zhuǎn)移到NAD＋的電子又去了哪里？理論上可能是生成副產(chǎn)物，但實(shí)驗(yàn)證實(shí)雖然有乳酸、乙醇產(chǎn)生但過(guò)于微量、可忽略不計(jì)，那電子就只能轉(zhuǎn)移到了CO2，才會(huì)出現(xiàn)甘露醇完全被消耗，乙酸產(chǎn)生過(guò)量的現(xiàn)象。由此證明甘露醇氧化產(chǎn)生的額外電子被引導(dǎo)到WLP中以固定CO2，即甘露醇可以利用CO2產(chǎn)生乙酸，4C6H14O6 ＋ 2C＋4O2→ 13C－3H3C＋3OO? ＋ 13H＋ ＋ 2H2O；

在沒(méi)有CO2的培養(yǎng)基中，質(zhì)子被還原為H2，但甘露醇的轉(zhuǎn)化顯著降低，細(xì)胞生長(zhǎng)速度慢了2．5倍。然而，當(dāng)加入甲酸鹽后，與存在CO2／HCO3?的環(huán)境下觀察到的生長(zhǎng)行為相對(duì)應(yīng)，且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)外界的甲酸鹽完全取代了外部的CO2／HCO3?，是唯一添加的電子受體。利用除CO2以外的電子受體的能力，增強(qiáng)了在沒(méi)有或很少CO2存在的環(huán)境中或在不斷變化的環(huán)境條件下產(chǎn)乙酸菌的代謝靈活性。

       原文標(biāo)題 : 嗜熱厭氧菌Thermoanaerobacter kivui利用二氧化碳，將甘露醇轉(zhuǎn)化為同型乙酸