敲除热纤维梭菌中的Ⅰ型谷氨酰胺合成酶能下调氮代谢提高乙醇产量

面对目前越来越严峻的全球能源需求问题，开发清洁绿色能源越发受人重视，追崇能源节约型社会和环境友好型社会成为主流。为此，本文致力于探索可再生能源的生物合成。热纤维梭菌能直接利用纤维质原料产生乙醇。Ⅰ型谷氨酰胺合成酶（glnA）是谷氨酰胺合成中表达量最高的酶，它既是催化酶又是调节酶，研究通过敲除编码glnA的基因下调氮代谢，改变热纤维梭菌的乙酰CoA代谢流向，使产物从含氮化合物流向生物燃料乙醇（如图1）。结果显示缬氨酸和总氨基酸量分别减少了53%和44%，乙醇产量增加了53%。glnA缺失后，菌体无法正常合成谷氨酸，只能通过谷氨酰胺-羟戊二酸氨基转移酶/谷氨酸合酶类型（GOGAT）的上调合成谷氨酰胺和α-酮戊二酸来弥补氨基供体的不足，但这条路从热力学角度分析对菌体生长不利，所以这可能导致氨基酸产物量的下降，最终使代谢流从含氮化合物流向乙醇。但是通过氮通量分析发现，乙醇产量增加的比例远超于氨基酸减少的比例，本文认为还有其他机制来提高乙醇产量，其潜在的解释是通过铁氧还蛋白氧化还原酶（Rnf）和GOGAT结合为乙醇合成提供更多有效的NADH（如图1）。本文假定是Rnf将来自GOGAT的电子用于增加NADH，这可能加速乙酰辅酶A生成乙醇的反应，而缺失glnA基因后的诸多现象证实了这一假定：NADPH/NADP+的比例下降，NADH/NAD+比例稳定，H2产量减少，Rnf表达量增加，胞内乙酰辅酶A的水平下降2.5倍。研究证明下调氮代谢是一条有效的策略使产物从含氮化合物流量生物燃料。

图1：基于产品概况、转录组学、代谢组学，建议的glnA中的代谢流

黑色实心箭头表示提出的增加通量，灰色虚线箭头表示减少通量。

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