メチル化フラン脂肪酸の細菌生合成経路

A bacterial biosynthetic pathway for methylated furan fatty acids.

• Rachelle A S Lemke
• Stephanie M Olson
• Kaitlin Morse
• Steven D Karlen
• Alan Higbee
• Emily T Beebe
• John Ralph
• Joshua J Coon
• Brian G Fox
• Timothy J Donohue

抄録

脂肪酸は細胞内で、また、工業プロセスで多くの重要な役割を果たしています。フラン脂肪酸（FuFAs）は、いくつかの植物、魚、微生物種の脂質に存在し、膜を傷つける物質から細胞を保護する経路のセカンドメッセンジャーとして機能しているように見える。本研究では、モノメチル化されたメチル9-(3-メチル-5-ペンチルフラン-2-イル)ノナノエート(9M5-FUFA)とジメチル化されたメチル9-(3,4-ジメチル-5-ペンチルフラン-2-イル)ノナノエート(9D5-FUFA)の生合成を、2つのα-保護細菌を用いて、化学的、遺伝学的、合成生物学的実験を行った結果を報告する。FuFA生合成の各ステップは、既存のリン脂質脂肪酸鎖上で行われており、2.4.1およびCGA009において、9M5-FuFAおよび9D5-FuFA合成を触媒する経路中間体および遺伝子産物を同定した。これまで知られていなかった経路中間体の一つは、新たに同定された脂肪酸脱飽和酵素UfaDによって(11)-メチルオクタデカ-11-エン酸(11Me-12-18:1)から生成された(1012)-11-メチルオクタデカ-10,12-ジエン酸(11Me-10,12-18:2)というメチル化された二価不飽和脂肪酸であった。また、9M5-FuFAのフラン環の酸素原子の供給源が分子状酸素（O）であることを示し、O由来の酸素原子が11Me-1012-18:2脂肪酸リン脂質鎖を基質とするタンパク質UfaOを介して9M5-FuFAに取り込まれることを予測した。また、9M5-FuFAから9D5-FuFAを生成するSAM依存性メチラーゼFufMも発見しました。これらの結果は、9M5-FUFAと9D5-FUFA生合成のための細菌の経路における中間体の生化学的配列を明らかにし、他の生物におけるFUFA生合成で機能する可能性のある、ここで同定された酵素のホモログの存在を示唆している。

Fatty acids play many important roles in cells and also in industrial processes. Furan fatty acids (FuFAs) are present in the lipids of some plant, fish, and microbial species and appear to function as second messengers in pathways that protect cells from membrane-damaging agents. We report here the results of chemical, genetic, and synthetic biology experiments to decipher the biosynthesis of the monomethylated FuFA, methyl 9-(3-methyl-5-pentylfuran-2-yl) nonanoate (9M5-FuFA), and its dimethyl counterpart, methyl 9-(3,4-dimethyl-5-pentylfuran-2-yl) nonanoate (9D5-FuFA), in two α-proteobacteria. Each of the steps in FuFA biosynthesis occurs on pre-existing phospholipid fatty acid chains, and we identified pathway intermediates and the gene products that catalyze 9M5-FuFA and 9D5-FuFA synthesis in 2.4.1 and CGA009. One previously unknown pathway intermediate was a methylated diunsaturated fatty acid, (1012)-11-methyloctadeca-10,12-dienoic acid (11Me-10,12-18:2), produced from (11)-methyloctadeca-11-enoic acid (11Me-12-18:1) by a newly identified fatty acid desaturase, UfaD. We also show that molecular oxygen (O) is the source of the oxygen atom in the furan ring of 9M5-FuFA, and our findings predict that an O-derived oxygen atom is incorporated into 9M5-FuFA via a protein, UfaO, that uses the 11Me-1012-18:2 fatty acid phospholipid chain as a substrate. We discovered that also contains a SAM-dependent methylase, FufM, that produces 9D5-FuFA from 9M5-FuFA. These results uncover the biochemical sequence of intermediates in a bacterial pathway for 9M5-FuFA and 9D5-FuFA biosynthesis and suggest the existence of homologs of the enzymes identified here that could function in FuFA biosynthesis in other organisms.

© 2020 Lemke et al.