“Nature Communications∣唤醒大肠杆菌中潜在的碳固定循环途径”
文献信息：
Ari Satanowski, Beau Dronsella, Elad Noor, Bastian Vogeli, Hai He, Philipp Wichmann, Tobias J. Erb, Steffen N. Lindner & Arren Bar-Even.
https://doi.org/10.1038/s41467-020-19564-5
Nature Communications 影响因子：17.694
背景介绍
固碳是最重要的生化过程之一，然而大多数天然的碳固定途径最初并不是用来行使固碳功能的，而是用来行使其他功能的。如此的话，能否利用异养菌本身的内源性酶，来设计重建新的固碳途径。
在本研究中，作者系统地分析了大肠杆菌天然酶中可能固碳的酶和途径。作者认为，Gnd-Entner-Doudoroff（GED）循环是最简单的途径，其可以在高热力学驱动力下有效运行。这种自催化途径是基于6-磷酸-葡萄糖酸脱氢酶（6-phosphogluconate dehydrogenase，Gnd）对5-磷酸-核酮糖（ribulose 5-phosphate，Ru5P）的还原羧化进行的，然后经Entner-Doudoroff途径、糖异生和磷酸戊糖途径进行固碳。
作者通过构建大肠杆菌基因缺失菌株，证明了这种新的自然途径在体内的可行性，该菌株在戊糖上的生长依赖于GED循环，这是GED循环的一种线性变体，不需要Ru5P的再生。研究表明，NADPH的增加，有助于建立足够高的通量来维持这种生长。作者的研究例证了异养生物中碳固定途径的出现轨迹。
图文解读
图1 计算识别潜在的固碳途径
a） GED（Gnd-Entner-Doudoroff）循环是大肠杆菌内源酶可以产生的最简单的碳固定途径。
该途径是基于6-磷酸-葡萄糖酸脱氢酶（Gnd）将5-磷酸核酮糖（Ru5P）羧化还原为6-磷酸葡萄糖酸（6PG），然后是Entner-Doudoroff途径（酶Edd和Eda）产生丙酮酸和甘油醛-3-磷酸（GAP）。丙酮酸通过糖异生和中间产物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和3-磷酸甘油酸（3PG）转化为GAP。为了结束循环，GAP通过磷酸戊糖途径被循环到Ru5P。
b,c） 另外两种通过计算发现的碳固定途径。
d）细菌的系统发育树，显示了包含GED循环中所有关键酶的三个门（如颜色所示）。
图2 在缺失5-磷酸-核酮糖-3-异构酶菌株（Δrpe）中，GED的活性
a） Δrpe选择方案的设计。
核糖只能通过GED被同化，几乎所有生物量构建块的生物合成都依赖于该途径（黄色标记）。菌株利用葡萄糖酸（紫色）为底物时，其生长不依赖于Gnd，因此作为阳性对照。
b） 在核糖（20 mM）作为唯一碳源的培养基上，Δrpe菌株的生长依赖于CO2浓度的升高和过表达gnd，edd，eda（pGED）。仅过表达gnd或edd和eda的菌株不生长。
c） 同位素13CO2标记培养证实了GED的运行。
图3 在缺失转酮酶同工酶菌株（ΔtktAB）中，GED的活性
a） ΔtktAB选择方案的设计。
木糖只能通过GED被同化。ΔtktAB菌株不能合成4-磷酸-赤藓糖。菌株利用葡萄糖酸（紫色）为底物时，其生长不依赖于Gnd，因此作为阳性对照。
b） 过表达gnd、edd和eda（pGED）后在木糖上的生长仅在突变后才能实现，并依赖于CO2浓度的升高。
c） 定量RT-PCR的表达分析显示，突变株中pntA的转录水平提高了3倍。
d） 使用中(M)或强(S)启动子，而不是弱(W)启动子，进行基因组过表达，可使ΔtktAB pGED菌株在木糖上生长。
e） 6-磷酸葡萄糖脱氢酶（Δzwf）的缺失可支持ΔtktAB pGED菌株在木糖上生长。
f） 同位素13CO2标记培养证实了GED的运行。
图4 在ΔPZF菌株中，GED可有效运行
a） ΔPZF（ΔpfkAB Δzwf ΔfsaAB ΔfruK）选择方案的设计。
木糖只能通过GED被同化。菌株利用葡萄糖酸（紫色）为底物时，其生长不依赖于Gnd，因此作为阳性对照。
b） 过表达gnd、edd和eda（pGED）后在木糖上的生长仅在突变后才能实现，并依赖于CO2浓度的升高。
c） 同位素13CO2标记培养证实了GED的运行。
图4 通过GED途径分流糖代谢途径可以提高产品产量（以木糖为底物为例）
a） 木糖利用途径的比较：通过磷酸戊糖途径和糖酵解的典型利用（灰色）；GED途径（蓝色）；以及基于Rubisco羧化的线性途径（RuBP分流，橙色）。
b） 通过通量平衡分析计算，15种发酵产物相对于野生型细菌参考的最大理论产量。
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