Green Carbon创刊号│含细胞色素和醌的热醋穆尔氏菌：一个极具潜力的CO₂生物转化技术平台

英文原题：Moorella thermoacetica: A Promising Cytochrome- and Quinone-Containing Acetogenic Bacterium as Platform For A CO₂-based Bioeconomy

作者：Florian P. Rosenbaum, Volker Müller*

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背景介绍

现代工业和经济的发展严重依赖化石资源，过度的开采利用和线性发展模式正迅速加剧气候变化。一碳气体来源广泛，包括廉价的富碳工业尾气，生物质或城市固废热解气化，因此，转化一碳气体（CO、CO₂）或将大气中的CO₂固定并转化为燃料或化学品越来越引起关注。产乙酸菌（Acetogenic bacteria）通过呼吸链，将以H₂为电子供体固定CO₂的放能反应与ATP合成偶联，实现自养生长的同时还能合成多种化学品。事实上，一些产乙酸菌已经在工业规模上用于钢厂工业尾气等转化生产生物燃料。产乙酸菌中，嗜热菌热醋穆尔氏菌（Moorella thermoacetica）由于其代谢灵活性，极具工业应用潜力。近日，法兰克福大学的Müller团队在Green Carbon发表综述文章，就热醋穆尔氏菌的生理特性及其生物技术应用研究现状进行了讨论，并对未来前景进行展望。

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文章简介

前言

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产乙酸菌是一类化能自养微生物，通过伍德—永达尔（Wood-Ljungdahl）途径（图1），以H₂或CO为电子供体，固定CO₂实现自养生长。伍德—永达尔途径由羰基分支和甲基分支两部分组成：羰基分支消耗两个电子还原一分子CO₂为CO；甲基分支通过六步反应，消耗6个电子和一分子ATP还原CO₂形成甲基钴铁硫蛋白（Methyl-CoFeS）作为甲基基团供体；最后，甲基基团、CO和辅酶A共同合成乙酰辅酶A。乙酰辅酶A磷酸化为乙酰磷酸，最终代谢为乙酸，通过底物水平磷酸化获得一分子ATP。伍德—永达尔途径固定两分子CO₂得到1分子乙酸，需要消耗八个电子和一个ATP，乙酸生成的最后一步获得一个ATP，整个产酸过程产生的净ATP为零。那么产乙酸菌如何克服能量壁垒实现生长并合成耗能产物？

图1. 伍德—永达尔途径（Wood-Ljungdahl）途径

产乙酸菌的能量代谢机制

从热力学角度看，以H₂为电子供体，还原CO₂形成乙酸是一个放能反应，但产乙酸菌通过底物水平磷酸化获得的净ATP是零，如需生长及生产耗能产物就需要偶联其他ATP合成机制—化学渗透机制，化学梯度形成的驱动力则来源于呼吸酶。目前，产乙酸菌中发现了两种呼吸酶，分别是铁氧还蛋白：H⁺氧化还原酶（Energy-converting hydrogenase, Ech）和铁氧还蛋白：NAD⁺氧化还原酶（Rhodobacter nitrogen fixation, Rnf），一个既定物种只具有其中一种。产乙酸菌通过Rnf或Ech复合物，形成Na⁺或H⁺化学梯度，驱动F₁F₀-ATP合成酶合成ATP，实现从化学能到ATP的转化。

Ech复合物能够氧化Fd²⁻产生H₂或催化其逆反应，同时偶联H⁺的跨膜转运。凯伍氏嗜热厌氧菌（Thermoanaerobacter kivui）有两种不同的Ech复合物。在生理条件下，一种Ech复合物由跨膜质子势驱动以H₂为还原剂还原Fd；而另一种Ech复合物与亚甲基四氢叶酸还原酶偶联，催化电子从Fd^2-到甲基四氢叶酸的转移，同时驱动H⁺向胞外转运，形成的净质子势驱动ATP合成（图2A）。在伍氏醋酸杆菌（Acetobacterium woodii）中，Rnf复合物能够氧化Fd²⁻还原NAD⁺，同时驱动Na⁺跨膜转运，形成的离子梯度为F₁F₀-ATP合酶提供动力（图2B）。

图2. 伍氏嗜热厌氧菌（A）和伍氏醋酸杆菌（B）以CO₂+H₂生长的能量代谢模型

热醋穆尔氏菌能量代谢机制

热醋穆尔氏菌自养过程的产能机制尚未完全阐明（图3）。目前已知，电子歧化氢化酶可将H₂歧化成Fd²⁻和NADH，由于甲基分支还需要NADPH作为还原力，铁氧还蛋白依赖的电子歧化转氢酶（Nfn），可催化Fd²⁻和NADH的氧化以及NADP⁺的还原，为细胞提供NADPH。另外，NADP⁺还原氢化酶也可能向细胞提供NADPH（见图4）。热醋穆尔氏菌只有一种Ech复合物，可氧化Fd²⁻，驱动H⁺跨膜转运。

图3. 基于基因组序列预测的热醋穆尔氏菌以CO₂+H₂生长时的能量代谢模型

与其他产乙酸菌只有Ech或Rnf一种呼吸酶不同，热醋穆尔氏菌还具有一个假定的NADH脱氢酶（NADH dehydrogenase, NDH）。该酶不能氧化NADH，而可能以Fd²⁻和醌作为电子供体和受体，驱动H⁺转运（图4）。

与其他产乙酸菌另一明显区别是，热醋穆尔氏菌具有细胞色素和醌类，科学家们推测有相关的呼吸链参与能量代谢。甲萘醌可能是电子歧化电子转移黄素蛋白—甲萘醌氧化还原酶（Fix complex）的电子受体，也可能是DMSO还原酶的电子供体。Ech复合物编码基因簇还编码一个甲酸脱氢酶和甲酸转运蛋白，但尚无数据证明甲酸可由膜结合的酶氧化。另外，热醋穆尔氏菌能够还原硝酸盐，其基因组编码一个潜在的细胞色素b依赖的甲酸/硝酸盐还原酶，但目前对相关的生化过程及能量代谢机制一无所知。

图4. 热醋穆尔氏菌中可能参与氧化还原平衡或能量代谢的酶及辅因子

伍德—永达尔途径所有反应涉及的碳流向高度保守，但参与氧化还原反应的酶及辅因子（电子供/受体）在不同产乙酸菌中具有多样性。热醋穆尔氏菌亚甲基四氢叶酸还原酶复合体以NADH为电子供体并偶联电子歧化反应，除亚甲基四氢叶酸外的另一电子受体可能是甲萘醌或细胞色素。此外，该酶也可能与Ech复合物偶联（图5）。热醋穆尔氏菌最适生长温度为55-65°C，最适pH为6.8，可利用多种碳源，如CO₂、CO、单糖、有机酸、醇或甲氧基芳香化合物等，目前已建立基于同源重组的遗传转化体系，可以实现基因敲除和外源基因过表达。

图5. 热醋穆尔氏菌参与伍德—永达尔途径的酶；插入图：亚甲基四氢叶酸还原与NADH氧化偶联的假设模型

结论与展望

热醋穆尔氏菌除了具有嗜热菌共有的优势之外，还可灵活利用多种碳源；不局限于呼吸酶Ech复合体参与的产能系统，细胞色素和醌类可通过DMSO呼吸等方式参与能量代谢，转化的额外能量，可实现一些高能耗的非天然产物合成，在未来生物技术领域极具应用潜力。但目前对其生理及产能机制了解的匮乏，阻碍了其在生物技术领域的应用研究。因此，开发更高效的遗传学工具，深入地研究其生理特性和产能机制，重新引导碳和能量通量，是未来科学家们努力的方向。

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通讯作者信息

Volker Müller

    Volker Müller教授现为德国法兰克福大学分子微生物学和生物能量学系系主任。他的研究重点是厌氧微生物的代谢与生化及耐盐和嗜盐微生物适应盐的分子基础研究。截至目前共发表了296余篇研究型或综述型同行评议文章。目前担任Environmental Microbiology，Applied and Environmental Microbiology，Green Carbon 等期刊编委。

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Green Carbon

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Green Carbon（绿碳，ISSN 2950-1555）是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所创办、与科爱集团联合出版的开放获取英文学术期刊，聚焦绿色碳资源的开发与利用、化石碳资源的绿色转化与利用，排放碳资源的固定与利用，以及多尺度碳循环的分析与管理等主题，推动可持续发展领域的科技创新，为全球科研人员提供高质量的、开放的学术交流平台，服务于广大的化学和科学界。期刊将发表原创性研究论文、综述类文章、社论、简短通讯、观点和专题类文章。

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