01

文章背景簡介  

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，使人們對于二氧化碳在合成生物學中的應用價值，產(chǎn)生了更高的關注與期待。

產(chǎn)乙酸微生物可以利用有機底物，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：

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備碳水化合物，那當?shù)孜餅楦事洞紩r，是如何代謝的呢？且甘露醇發(fā)酵相對于葡萄糖多產(chǎn)生了兩個［H］，那么兩個電子去了哪里？在產(chǎn)乙酸菌轉(zhuǎn)化甘露醇的過程中，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 Wood－Ljungdahl通路， 依靠 CO／CO2和氫氣為碳源和能源， 合成乙酰輔酶A， 進行物質(zhì)和能量代謝。Wood－Ljungdahl通路廣泛存在于厭氧細菌和古細菌中， 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)乙酸菌中詳細研究。

2020年11月，來自德國法蘭克福約翰沃爾夫?qū)�歌德大學的Jimyung Moon等在《Front Microbiol》（IF＝4．235，生物二區(qū)微生物學二區(qū)）發(fā)表了題為“Homoacetogenic conversion of mannitol by the thermophilic acetogenic bacterium Thermoanaerobacter kivui requires external CO2”的文章。作者通過各種條件下生長細胞和細胞懸浮液的生理實驗，提出了厭氧微生物Thermoanaerobacter kivui中甘露醇的代謝模型。對磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)攝取甘露醇和通過耐高溫甘露醇－1－磷酸脫氫酶轉(zhuǎn)化甘露醇－1－磷酸進行了研究，包括三種主要的氫化酶，以解釋［H］如何在糖酵解過程中生成乙酸或乙酸＋H2。研究發(fā)現(xiàn)，T． kivui在生長和轉(zhuǎn)化甘露醇的過程中，是利用外部CO2作為額外的電子受體。

。

02

所用到的主要方法

METHODS  

高效液相色譜法（HPLC）

氣相色譜法（GC）

微生物生長曲線繪制

靜息細胞實驗

基質(zhì)減少和產(chǎn)物形成分析

03

文章主要內(nèi)容摘要

ABSTRACT

T．kivui休眠細胞和生長細胞的實驗表明，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HCO3?的培養(yǎng)條件下，每個甘露醇產(chǎn)生的乙酸比例顯著降低，孵育3小時后，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，但實驗證實雖然有乳酸、乙醇產(chǎn)生但過于微量、可忽略不計，那電子就只能轉(zhuǎn)移到了CO2，才會出現(xiàn)甘露醇完全被消耗，乙酸產(chǎn)生過量的現(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，細胞生長速度慢了2．5倍。然而，當加入甲酸鹽后，與存在CO2／HCO3?的環(huán)境下觀察到的生長行為相對應，且實驗發(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，增強了在沒有或很少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