Ацетогенез

Ацетогенез — биохимический процесс, в результате которого из диоксида углерода и донора электронов (например, молекулярного водорода, угарного газа, муравьиной кислоты (формиата)) образуется уксусная кислота (ацетат). Данный процесс используют анаэробные организмы в последовательности биохимических реакций восстановительного ацетил-КoA пути (путь Вуда — Льюнгдаля). Группа различных видов бактерий, способных к ацетогенезу, называется ацетогенами. Некоторые ацетогены способны синтезировать ацетат автотрофно из диоксида углерода и водорода^[1]. Суммарная реакция автотрофного синтеза ацетата:

${\displaystyle {\mathsf {2CO_{2}+4H_{2}\rightarrow CH_{3}COOH+2H_{2}O}}}$ ΔG°'= -95 кДж/моль

Процесс получения ацетата гетеротрофными ацетогенами из углеводов (например, глюкозы), получил название гомоацетатного брожения:

${\displaystyle {\mathsf {C_{6}H_{12}O_{6}\rightarrow 3CH_{3}COOH}}}$

Открытие

В 1932 году были открыты организмы, которые способные конвертировать молекулярный водород и углекислый газ в уксусную кислоту. Первый вид ацетогенных бактерий, Clostridium aceticum, был открыт в 1936 году Класом Таммо Вирингой (нидерл. Klaas Tammo Wieringa, 1891—1980). Второй вид, Moorella thermoacetica, привлек большой интерес за способность конвертировать глюкозу до 3 молекул уксусной кислоты^[2].

Биохимия

Автотрофное образование ацетата

Автотрофная фиксация углекислого газа широко распространена среди ацетогенных анаэробных бактерий, таких как Acetobacterium woodii, Clostridium aceticum, Moorella thermothermoacetica и Moorella thermoautotrophica^[3]. Восстановительные эквиваленты для осуществления этих реакций получаются при действии гидрогеназ на H₂^[4][5]. Acetobacterium woodii имеет цитоплазматическую гидрогеназу [FeFe]-типа^[6]. Тиоэфир — ацетил-КоА, образовавшийся в последовательности реакций пути Вуда — Льюнгдаля^[7]:

${\displaystyle {\mathsf {2CO_{2}+4H_{2}+CoASH+ATP\rightarrow CH_{3}CO{\text{-}}CoA+3H_{2}O+ADF+Pi}}}$

в результате двух последовательных реакций превращается в ацетат:

Ацетил-КоА + Pi → КоА + ацетилфосфат

Ацетилфосфат + АДФ → CH₃COOH + АТФ, ΔG°= -12,9 кДж/моль

В первой реакции, катализируемой фосфатацетилтрансферазой^[англ.] (ЕС 2.3.1.8), получается ацетилфосфат^[8]. Вторая реакция, катализируемая ацетаткиназой^[англ.] (ЕС 2.7.2.1), приводит к образованию АТФ из АДФ. Так как образованная молекула АТФ потребляется на первых стадиях пути Вуда — Льюнгдаля, то суммарная реакция не приводит к образованию АТФ. АТФ образуется за счет натриевого мембранного потенциала^[9] у Acetobacterium woodii. Это справедливо не для всех ацетогенов. Clostridium aceticum и Moorella thermoautotrophica содержат цитохромы и, по-видимому, генерируют протонный градиент вместо градиента ионов натрия^[10].

Рост с использованием одноуглеродных субстратов

CO₂ является конечным акцептором электронов при росте ацетогенов. Рост на восстановленных (с низкой степенью окисления углерода) одноуглеродных субстратах строго зависит от доступности в среде экзогенного СО₂. Дополнительные количества CO₂ требуются для регенерации восстановленных переносчиков электронов, и эта регенерация должна произойти до того, как полученный из субстрата CO₂ станет доступным через декарбоксилирование пирувата.

Рост с использованием монооксида углерода

В процессе роста на СО, суммарная реакция которого может быть описана как:

4СO + 2H₂O -> CH₃COOH + 2CO₂

требуется экзогенный СО₂, несмотря что процесс генерирует избыток СО₂^[11].

СО-дегидрогеназный комплекс в таких ацетогенных бактериях как Acetobacterium woodii и Moorella thermoacetica может синтезировать ацетил-КоА из метилтетрагидрофолата и СО^{[12][13][14][15]}.

Рост с использованием метанола

Рост ацетогенов Moorella thermoacetica и Clostridium formicoaceticum на метаноле не идет без добавления СО₂^[16][17].

Гомоацетатное брожение

Глюкоза на первом этапе конвертируется до двух молекул пирувата через последовательность реакций гликолиза:

глюкоза + 2НАД⁺ + 2АДФ + 2Pi → 2 пируват + 2НАДH + 2Н⁺ + 2АТФ + 2Н₂O

На этом этапе получается 2 молекулы АТФ по механизму субстратного фосфорилирования.

Пируват затем окисляется и декарбоксилируется до ацетил-КоА, СО₂ и 4 восстановительных эквивалентов (ферредоксин), пируват:ферредоксин оксидоредуктазой^[англ.]:

пируват + КoA + Фд_окисл ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ ацетил-КoA + CO₂ + Фд_восст

2 молекулы ацетил-КоА, получившихся из пирувата, конвертируются до двух молекул ацетата:

ацетил-КоА + Pi → КоА + ацетилфосфат

ацетилфосфат + АДФ → CH₃COOH + АТФ

Этот процесс дает дополнительную АТФ по механизму субстратного фосфорилирования. Восемь восстановительных эквивалентов, полученных при гликолизе и при окислительном декарбоксилировании пирувата, используются затем в пути Вуда — Льюнгдаля для восстановления двух молекул СО₂ до добавочной (третьей) молекулы ацетата.

Суммарная реакция:

С₆Н₁₂О₆ → 3 CH₃COOH + 4АТФ

Молекула СО₂, которая восстанавливается по пути Вуда — Льюнгдаля преимущественно происходит из внешнего источника, а не из молекулы СО₂, образуемой в реакции декарбоксилирования пирувата. В связи с этим важно дополнительно добавлять CO₂ (или карбонаты) в ростовую среду при культивировании ацетогенов в лаборатории. Этот приём оказывается неочевидным, так как на него не указывает стехиометрия метаболических реакций. Например, стехиометрическое превращение сахаров (например, глюкозы или фруктозы в ацетат (см. выше) указывает на то, что CO₂ не требуется для ацетогенеза. Рост на сахарах может быть значительно нарушен в отсутствие дополнительных количеств СО₂^[18][19][20].

Применение

Уникальный обмен веществ ацетогенов имеет биотехнологическое применение. При брожении углеводов реакции декарбоксилирования приводят к потере углерода в виде диоксида углерода. Эта потеря является проблемой, так как предъявляются повышенные требования к минимизации выбросов CO₂, а также нужно, чтобы производство биотоплива успешно конкурировало с ископаемым топливом по денежной стоимости. Ацетогены могут ферментировать глюкозу без образования CO₂ и конвертировать его с образованием 3 молекул ацетата, что приводит к увеличению теоретического выхода продукта до 50 %. Ацетогены не замещают гликолиз другим метаболическим путем, но включают CO₂, образующийся при гликолизе, в процесс ацетогенеза^[21].

Ссылки

1. Singleton, Paul. Acetogenesis // Dictionary of microbiology and molecular biology (англ.). — 3rd. — Chichester: John Wiley, 2006. — ISBN 978-0-470-03545-0.
2. Ragsdale S. W., Pierce E. Acetogenesis and the Wood—Ljungdahl pathway of CO(2) fixation (англ.) // Biochimica et Biophysica Acta^[англ.] : journal. — 2008. — December (vol. 1784, no. 12). — P. 1873—1898. — doi:10.1016/j.bbapap.2008.08.012. — PMID 18801467. — PMC 2646786.
3. Diekert G., Wohlfarth G. Metabolism of homocetogens. (англ.) // Antonie Van Leeuwenhoek : journal. — 1994. — No. 66. — P. 209-221.
4. Drake H.L. Demonstration of hydrogenase in extracts of the homoacetate-fermenting bacterium Clostridium thermoaceticum (англ.) // J. Bacteriol. : journal. — 1982. — No. 150. — P. 702-709.
5. Pezacka E., Wood H.G. The synthesis of acetyl-CoA by Clostridium thermoaceticum from carbon dioxide, hydrogen, coenzyme A and methylte-trahydrofolate (англ.) // Arch. Microbiol. : journal. — 1984. — No. 137. — P. 63-69.
6. Diekert G., Wohlfarth G. Hydrogenase from Acetobacterium woodii (англ.) // Arch. Microbiol. : journal. — 1994. — No. 139. — P. 361-365.
7. Ragsdale S. W. Metals and their scaffolds to promote difficult enzymatic reactions (англ.) // Chemical Reviews^[англ.] : journal. — 2006. — August (vol. 106, no. 8). — P. 3317—3337. — doi:10.1021/cr0503153. — PMID 16895330.
8. Brown T. D., Jones-Mortimer M. C., Kornberg H. L. The enzymic interconversion of acetate and acetyl-coenzyme A in Escherichia coli (англ.) // Microbiology^[англ.] : journal. — Microbiology Society^[англ.], 1977. — Vol. 102, no. 2. — P. 327—336. — PMID 21941.
9. Heise R., Muller V., Gottschalk G. Sodium dependence of acetate formation by the acetogenic bacterium Acetobacterium woodii (англ.) // J. Bacteriol. : journal. — 1989. — Vol. 171. — P. 5473-78.
10. Hugenholtz J., Ljungdahl L.G. Metabolism and energy generation in homoacetogenic clostridia (англ.) // FEMS Microbiol. Rev. : journal. — 1990. — No. 87. — P. 383-390.
11. Savage M.D., Wu Z., Daniel S.L., Lundie L.L. Jr., Drake H.L. Carbon monoxide-dependent chemolithotrophic growth of Clostridium thermoautotrophicum. (англ.) // Appl. Environ. Microbiol. : journal. — 1987. — No. 53. — P. 1902-1906.
12. Wood H. G., Ragsdale S. W., Pezacka E. The acetyl-CoA pathway or autotrophic growth (англ.) // FEMS Microbiol. Rev. : journal. — 1986. — No. 39. — P. 345—362.
13. Ljungdahl L. G. The autotrophic pathway of acetate synthesis in acetogenic bacteria (англ.) // Ann. Rev. Microbiol. : journal. — 1986. — No. 40. — P. 415—450.
14. Shanmugasundaram T., Ragsdale S.W., Wood H.G. Role of carbon monoxide dehydrogenase in acetate synthesis by the acetogenic bacterium Acetobacterium woodii (англ.) // Biofactors : journal. — 1988. — No. 1. — P. 147-152.
15. Menon S., Ragsdale S.W. The role of an iron-sulfur cluster in an enzymatic methylation reaction. Methylation of CO dehydrogenase/acetyl-CoA synthase by the methylated corrinoid iron-sulfur protein (англ.) // J. Biol. Chem. : journal. — 1999. — No. 274. — P. 11513-11518.
16. Hsu T., Daniel S.L., Lux M.F., Drake H.L. Biotransformations of carboxylated aromatic compounds by the acetogen Clostridium thermoaceticum: generation of growth-supportive CO2 equivalents under CO2-limited conditions. (англ.) // J. Bacteriol. : journal. — 1990. — No. 172. — P. 212-217.
17. Matthies C., Freiberger A., Drake H.L. Fumarate dissimilation and differential reductant flow by Clostridium formicoaceticum and Clostridium aceticum. (англ.) // Arch. Microbiol. : journal. — 1993. — No. 160. — P. 273-278.
18. Andreesen J.R., Gottschalk G., Schlegel H.G. Clostridium formicoaceticum nov. spec. isolation, description and distinction from C. aceticum and C. thermoaceticum. (англ.) // Arch. Microbiol. : journal. — 1970. — No. 72. — P. 154-174.
19. Braun K., Gottschalk G. Effect of molecular hydrogen and carbon dioxide on chemo-organotrophic growth of Acetobacterium woodii and Clostridium aceticum. (англ.) // Arch. Microbiol. : journal. — 1981. — No. 128. — P. 294-298.
20. O’Brien W.E., Ljungdahl L.G. Fermentation of fructose and synthesis of acetate from carbon dioxide by Clostridium formicoaceticum. (англ.) // J. Bacteriol. : journal. — 1972. — No. 109. — P. 626-632.
21. Schuchmann K., Müller V. Energetics and Application of Heterotrophy in Acetogenic Bacteria (англ.) // Applied and Environmental Microbiology^[англ.] : journal. — 2016. — July (vol. 82, no. 14). — P. 4056—4069. — doi:10.1128/AEM.00882-16. — PMID 27208103. — PMC 4959221.