好気性合成ガス利用のための有望な候補菌株OM5-Aの遺伝子工学的研究

Genetic Engineering of Strain OM5-A Promising Candidate for the Aerobic Utilization of Synthesis Gas.

• Daniel Siebert
• Tobias Busche
• Aline Y Metz
• Medina Smaili
• Bastian A W Queck
• Jörn Kalinowski
• Bernhard J Eikmanns

抄録

気候変動や世界的な汚染のため、基礎化学品や特殊化学品を工業的に生産するための持続可能性の高いルートの開発が重要な課題となっています。一つの可能なアプローチは、合成ガス（CO、CO、Hの混合物）またはC1含有産業廃棄物ガスから付加価値の高い化合物を生産するためのバイオテクノロジープロセスにおけるCOおよびCO利用微生物の使用である。このような合成ガス発酵プロセスは、すでに確立されている、厳密に嫌気性のアセト原性細菌を使用してバイオ燃料の生産。このような合成ガス発酵プロセスは、嫌気性のアセト原性細菌を用いたバイオ燃料製造法として既に確立されているが、好気性プロセスはよりコストのかかる（ATP集約的な）生成物の形成に有利である可能性がある。本研究では、この菌株OM5をアセテートを用いて従属栄養的に生育させた細胞と、CO, CO, Hを炭素・エネルギー源とする自己栄養的に生育させた細胞を比較してRNA-Seq解析を行ったところ、染色体上およびネイティブプラスミドでコードされた様々な遺伝子が高度に異なる発現を示すことがわかった。特に、メガプラスミドpHCG3上に位置するCO固定化カルビン-ベンソン-バシャムサイクル、CO代謝（COデヒドロゲナーゼ）、H利用（ヒドロゲナーゼ）に必要なタンパク質をコードする遺伝子や遺伝子群は、合成ガスを用いた自己増殖時に高発現していた。さらに、エレクトロポレーションによる再現性の高い形質転換を確立し、遺伝子削除と遺伝子交換の二段階組換えプロトコルを開発したことで、異種遺伝子の誘導性と安定した発現が可能となり、本生物の定義された突然変異体の構築が可能となった。このように、本研究は、本生物を用いたC1含有ガスの代謝工学と有効利用に向けた重要な一歩を踏み出すものである。

Due to climate change and worldwide pollution, development of highly sustainable routes for industrial production of basic and specialty chemicals is critical nowadays. One possible approach is the use of CO- and CO-utilizing microorganisms in biotechnological processes to produce value-added compounds from synthesis gas (mixtures of CO, CO, and H) or from C1-containing industrial waste gases. Such syngas fermentation processes have already been established, , biofuel production using strictly anaerobic acetogenic bacteria. However, aerobic processes may be favorable for the formation of more costly (ATP-intensive) products. strain OM5 is an aerobic carboxidotrophic bacterium and potentially a promising candidate for such processes. We here performed RNA-Seq analysis comparing cells of this organism grown heterotrophically with acetate or autotrophically with CO, CO, and H as carbon and energy source and found a variety of chromosomally and of native plasmid-encoded genes to be highly differentially expressed. In particular, genes and gene clusters encoding proteins required for autotrophic growth (CO fixation Calvin-Benson-Bassham cycle), for CO metabolism (CO dehydrogenase), and for H utilization (hydrogenase), all located on megaplasmid pHCG3, were much higher expressed during autotrophic growth with synthesis gas. Furthermore, we successfully established reproducible transformation of electroporation and developed gene deletion and gene exchange protocols two-step recombination, enabling inducible and stable expression of heterologous genes as well as construction of defined mutants of this organism. Thus, this study marks an important step toward metabolic engineering of and effective utilization of C1-containing gases with this organism.