水素依存性二酸化炭素還元酵素（HDCR）を欠く好熱性アセトゲン菌の増殖にはギ酸塩が必要である

Formate Is Required for Growth of the Thermophilic Acetogenic Bacterium Lacking Hydrogen-Dependent Carbon Dioxide Reductase (HDCR).

• Surbhi Jain
• Helge M Dietrich
• Volker Müller
• Mirko Basen

抄録

水素依存性二酸化炭素還元酵素は、アセチルコエンザイムAまたはウッド-リュングダール経路（WLP）の第一段階で二酸化炭素（CO）をギ酸塩に還元するために水素（H）を直接利用する可溶性酵素複合体である。HDCRは、2つの触媒サブユニット、ヒドロゲナーゼとギ酸脱水素酵素（FDH）と鉄硫黄クラスターを運ぶ2つの小さなサブユニットから構成されています。この酵素複合体は、2つのアセト原性細菌から精製され、その特徴が明らかになった。酢酸菌の増殖やギ酸塩代謝におけるHDCRの重要性については、遺伝学的手法が不足しているため、これまで生理的な研究は行われていなかった。ここでは、最近開発された遺伝子システムを利用して、HDCRをコードする遺伝子を削除した。その結果、予想通り、ギ酸塩を単独基質とした場合や、H + CO を用いた自己増殖条件下では、欠失変異体（TKV_MB013 株）は生育しなかった。驚くべきことに、ギ酸塩を添加した場合を除き、他の基質（糖類、マンニトール、ピルビン酸）でも生育しなかった。濃縮された細胞懸濁液はすぐにグルコースのみの存在下でギ酸塩を消費した。結論として、HDCRは変異体の成長に不可欠であったギ酸塩を提供する。あるいは、細胞外で添加されたギ酸塩は、COに加えて末端電子アクセプターとして機能し、成長欠損を補完していた。この結果は、WLPへの多炭素基質酸化の緊密な結合を示している。変異体の代謝は、古代の代謝形質である可能性があります結合ギ酸塩+ CO呼吸として見ることができます。

The hydrogen-dependent carbon dioxide reductase is a soluble enzyme complex that directly utilizes hydrogen (H) for the reduction of carbon dioxide (CO) to formate in the first step of the acetyl-coenzyme A- or Wood-Ljungdahl pathway (WLP). HDCR consists of 2 catalytic subunits, a hydrogenase and a formate dehydrogenase (FDH) and two small subunits carrying iron-sulfur clusters. The enzyme complex has been purified and characterized from two acetogenic bacteria, from the mesophile and, recently, from the thermophile . Physiological studies toward the importance of the HDCR for growth and formate metabolism in acetogens have not been carried out yet, due to the lack of genetic tools. Here, we deleted the genes encoding HDCR in taking advantage of the recently developed genetic system. As expected, the deletion mutant (strain TKV_MB013) did not grow with formate as single substrate or under autotrophic conditions with H + CO. Surprisingly, the strain did also not grow on any other substrate (sugars, mannitol or pyruvate), except for when formate was added. Concentrated cell suspensions quickly consumed formate in the presence of glucose only. In conclusion, HDCR provides formate which was essential for growth of the mutant. Alternatively, extracellularly added formate served as terminal electron acceptor in addition to CO, complementing the growth deficiency. The results show a tight coupling of multi-carbon substrate oxidation to the WLP. The metabolism in the mutant can be viewed as a coupled formate + CO respiration, which may be an ancient metabolic trait.

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