Pseudoclostridium thermosuccinogenesの代謝に及ぼすCO制限の影響

Effects of CO limitation on the metabolism of Pseudoclostridium thermosuccinogenes.

• Jeroen Girwar Koendjbiharie
• Wilbert Berend Post
• Martí Munar Palmer
• Richard van Kranenburg

抄録

背景:

バイオベースのコハク酸は、持続可能なプラットフォームケミカルとして期待されている。微生物発酵によるコハク酸の生産は、ホスホエノールピルビン酸のカルボキシル化を介したCOの固定化と並行して行われる。ここでは、コハク酸を生産する唯一の好熱菌であるPseudoclostridium thermosuccinogenesの代謝における利用可能なCOの効果を研究した。本研究では、CO制限の影響を注意深く調べることができるように、1%と20%のCOを添加したバイオリアクターでのバッチ培養を行った。

BACKGROUND: Bio-based succinic acid holds promise as a sustainable platform chemical. Its production through microbial fermentation concurs with the fixation of CO, through the carboxylation of phosphoenolpyruvate. Here, we studied the effect of the available CO on the metabolism of Pseudoclostridium thermosuccinogenes, the only known succinate producing thermophile. Batch cultivations in bioreactors sparged with 1 and 20% CO were conducted that allowed us to carefully study the effect of CO limitation.

結果:

これは、アセチル-CoA形成のためにピルビン酸ギ酸リアーゼ（PFL）からピルビン酸：フェレドキシン酸化還元酵素（PFOR）への切り替えを示唆している。内因性CO産生（PFORによる）の増加に対応して、コハク酸の収量はわずか26％しか減少しなかったため、コハク酸産生はほぼ維持された。酢酸の収量もわずかに減少し、乳酸の収量はわずかに増加した。CO 制限はまた、CO 過剰時にはわずかにしか生成されない大量のエタノールの生成を促した。以上のことから、発酵生成物の収量の変化は、フェレドキシンと NAD 還元の増加と CO 制限時の NADPH 酸化の増加をもたらし、これらの補酵素のバランスを保つためには、これらの補酵素のリシャッフルされた（トランス）水素化機構と関連していると考えられます。これまでの研究では、CO制限の転写に及ぼす影響を調べるためにRNA配列を解析してきたが、これまでに知られているトランス水素化機構については曖昧な結果しか得られていなかった。

RESULTS: Formate yield was greatly reduced at low CO concentrations, signifying a switch from pyruvate formate lyase (PFL) to pyruvate:ferredoxin oxidoreductase (PFOR) for acetyl-CoA formation. The corresponding increase in endogenous CO production (by PFOR) enabled succinic acid production to be largely maintained as its yield was reduced by only 26%, thus also maintaining the concomitant NADH re-oxidation, essential for regenerating NAD for glycolysis. Acetate yield was slightly reduced as well, while that of lactate was slightly increased. CO limitation also prompted the formation of significant amounts of ethanol, which is only marginally produced during CO excess. Altogether, the changes in fermentation product yields result in increased ferredoxin and NAD reduction, and increased NADPH oxidation during CO limitation, which must be linked to reshuffled (trans) hydrogenation mechanisms of those cofactors, in order to keep them balanced. RNA sequencing, to investigate transcriptional effects of CO limitation, yielded only ambiguous results regarding the known (trans) hydrogenation mechanisms.

結論:

その結果、NAD/NADH比が低下しており、これがCO制限中に観察されるストレスの原因となっている可能性が示唆された。アルコール脱水素酵素（adhE）の明らかな過剰発現が観察され、エタノール生産量の増加を説明する可能性があるが、発酵結果に基づいて予想されるスイッチを説明することができるPFLとPFORの発現に変化は見られなかった。

CONCLUSIONS: The results hinted at a decreased NAD/NADH ratio, which could ultimately be responsible for the stress observed during CO limitation. Clear overexpression of an alcohol dehydrogenase (adhE) was observed, which may explain the increased ethanol production, while no changes were seen for PFL and PFOR expression that could explain the anticipated switch based on the fermentation results.