一酸化炭素で成長したClostridium ljungdahliiのエタノール代謝ダイナミクス

Ethanol Metabolism Dynamics in Clostridium ljungdahlii Grown on Carbon Monoxide.

• Zi-Yong Liu
• De-Chen Jia
• Kun-Di Zhang
• Hai-Feng Zhu
• Quan Zhang
• Wei-Hong Jiang
• Yang Gu
• Fu-Li Li

抄録

酢酸菌を用いた合成ガスからのバイオエタノール製造が近年注目されている。しかし、シンガス発酵から微生物触媒を用いたバイオ燃料への実用化を阻む最大の課題は、エタノール収量の低さである。本研究では、エタノールの代謝が、自己増殖時のNADH/NADのリサイクルに重要な役割を果たしていることを明らかにした。二官能性アルデヒド／アルコール脱水素酵素（）遺伝子の欠失は、ガス発酵における著しい成長欠損をもたらす。本研究では、ガス圧を0.1MPa、pHを6.0に制御した特殊な発酵技術を用いて、バイオマスの生産に伴って指数関数的な段階でエタノールが生成されることを明らかにした。その後、エタノールはアルデヒドフェレドキシン酸化還元酵素を介して酢酸に酸化され、C標識エタノールと酢酸を用いた代謝実験、レドックスバランス解析、比較トランスクリプトーム解析により、エタノール生産と再利用は代謝経路を共有しているが、生育段階が異なることが明らかになった。現在、一酸化炭素（CO）を炭素・エネルギー源としたエタノール生産が実用化されています。ガス発酵中、エタノール合成はNADH依存性である。しかし、エタノールの酸化とその制御機構については、未だ不明な点が多い。エネルギー代謝解析の結果、還元型フェレドキシンは、CO発酵中の細胞増殖にATPを供給するRnf-ATPase系によるNADH形成の唯一の供給源であることが明らかになった。したがって、エタノール生産はバイオマス生産（ATP生産）と密接に結びついている。このように、エタノールの酸化・生合成のメカニズムを解明することは、将来的にエタノール収量の高い菌株を生み出すための重要な参考になると考えられます。

Bioethanol production from syngas using acetogenic bacteria has attracted considerable attention in recent years. However, low ethanol yield is the biggest challenge that prevents the commercialization of syngas fermentation into biofuels using microbial catalysts. The present study demonstrated that ethanol metabolism plays an important role in recycling NADH/NAD during autotrophic growth. Deletion of bifunctional aldehyde/alcohol dehydrogenase () genes leads to significant growth deficiencies in gas fermentation. Using specific fermentation technology in which the gas pressure and pH were constantly controlled at 0.1 MPa and 6.0, respectively, we revealed that ethanol was formed during the exponential phase, closely accompanied by biomass production. Then, ethanol was oxidized to acetate via the aldehyde ferredoxin oxidoreductase pathway in A metabolic experiment using C-labeled ethanol and acetate, redox balance analysis, and comparative transcriptomic analysis demonstrated that ethanol production and reuse shared the metabolic pathway but occurred at different growth phases. Ethanol production from carbon monoxide (CO) as a carbon and energy source by and "" is currently being commercialized. During gas fermentation, ethanol synthesis is NADH-dependent. However, ethanol oxidation and its regulatory mechanism remain incompletely understood. Energy metabolism analysis demonstrated that reduced ferredoxin is the sole source of NADH formation by the Rnf-ATPase system, which provides ATP for cell growth during CO fermentation. Therefore, ethanol production is tightly linked to biomass production (ATP production). Clarification of the mechanism of ethanol oxidation and biosynthesis can provide an important reference for generating high-ethanol-yield strains of in the future.

Copyright © 2020 American Society for Microbiology.