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五十嵐研 雑誌会 No. 1112 逆回転β酸化経路による物質生産 平成24年5月23日 石井 正治
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微生物による物質生産のためのDriving Force
ガス状分子の放出 不可逆的反応あるいはポリマー化反応の 存在 Futile cycleによるATPの消費あるいはATPシンターゼの破壊(ATP生成が関与している場合) 外部sinkへの電子授受 相分離による生産物除去 Appl. Environ. Microbiol., 77(9) (2011)
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β酸化経路 Acetyl-CoA (Cn-2)Acyl-CoA 3-Ketoacyl-CoA (Cn)-Acyl-CoA
CoA-SH 3-Ketoacyl-CoA (Cn)-Acyl-CoA FAD β酸化経路 NADH FADH2 NAD+ 3-Hydroxyacyl-CoA Enoyl-CoA H2O
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β酸化経路 Acetyl-CoA (Cn-2)Acyl-CoA 3-Ketoacyl-CoA (Cn)-Acyl-CoA
CoA-SH Acetyl-CoA acyltransferase fadA 3-Ketoacyl-CoA (Cn)-Acyl-CoA FAD 3-Hydroxyacyl-CoA dehydrogenase NADH Acyl-CoA dehydrogenase fadB FADH2 NAD+ fadE 3-Hydroxyacyl-CoA Enoyl-CoA Enoyl-CoA hydratase H2O fadB
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逆回転 β酸化経路による 物質生産 Nature 476: (2011)
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Hydroxyacyl-CoA dehydrogenase
逆回転 β酸化経路による 物質生産 Thiolase yqeF, fadA, atoB Hydroxyacyl-CoA dehydrogenase Enoyl-CoA reductase fadB ydiO Enoyl-CoA hydratase fadB Nature 476: (2011)
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脂肪酸生合成経路と逆回転 β-酸化経路の比較
n/4 C6H12O6 + ATP → CnH2n+2O + n/2 CO2 + (n/2 -1) H2O n/4 C6H12O6 → CnH2n+2O + n/2 CO2 + (n/2-1) H2O + n/2 ATP
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使用菌株の特徴 1.大腸菌のβ酸化系が含まれている、fadとatoレギュロンのconstitutiveな発現
fadRとatoC(c) への変異 2.CRP-cAMP複合体によるカタボライト抑制の回避 CrpのcAMP-independent mutant(crp*)の使用 3.β酸化系酵素遺伝子のArcAによる抑制回避 arcA遺伝子除去 RB01: MG1655 fadR atoC(c) crp* ΔarcA RB02: MG1655 fadR atoC(c) crp* ΔarcA ΔadhE Δpta ΔfrdA
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ブタノール生産性 AtoB: acyltransferase specific to short chain acyl-CoA molecules YqeF: predicted acyltransferase YqhD: aldehyde/alcohol dehydrogenase FucO: 1,2-propanediol oxidoreductase EutE: Aldehyde dehydrogenase with high sequence similarlity to AdhE and YqhD
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リアクターを用いてのブタノール生産 14 g/L, 0.33 g/g-Glucose consumed, 2 g Butanol/g-cell dry weight/h 消費グルコース当たりの モル収率:84.5% 73.4 mmol Acetyl-CoA/g-cell dry weight/h (12-18h)
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既往研究との比較
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一寸、待った!!
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この反応は不可逆!! β酸化経路 Acetyl-CoA (Cn-2)Acyl-CoA 3-Ketoacyl-CoA
CoA-SH Acetyl-CoA acyltransferase fadA 3-Ketoacyl-CoA (Cn)-Acyl-CoA この反応は不可逆!! FAD 3-Hydroxyacyl-CoA dehydrogenase NADH Acyl-CoA dehydrogenase fadB FADH2 NAD+ fadE 3-Hydroxyacyl-CoA Enoyl-CoA Enoyl-CoA hydratase H2O fadB
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個々の反応に関わる酵素タンパク (此処に至る詳細は不明ではあるが・・)
Reaction (1): Acetyltransferase YqeF Reaction (2) and (3): 3-Hydroxyacyl-CoA dehydrogenase and Enoyl-CoA hydratase FadB Reaction (4): Acyl-CoA dehydrogenase/ Enoyl-CoA reductase YdiO Reaction (5): Aldehyde-forming acyl-CoA reductase MhpF Reaction (6): Butanol dehydrogenase FucO
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FadA + YqeF由来の活性 YqeF増幅効果 FadAの寄与 FadA + YqeFの寄与
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個々の反応に関わる酵素タンパク (此処に至る詳細は不明ではあるが・・)
Reaction (1): Acetyltransferase YqeF Reaction (2) and (3): 3-Hydroxyacyl-CoA dehydrogenase and Enoyl-CoA hydratase FadB Reaction (4): Acyl-CoA dehydrogenase/ Enoyl-CoA reductase YdiO Reaction (5): Aldehyde-forming acyl-CoA reductase MhpF Reaction (6): Butanol dehydrogenase FucO
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YdiOの周辺を見てみると・・ ydiO: predicted acyl-CoA dehydrogenase
ydiF: fused predicted acetyl-CoA:acetoacetyl-CoA transferase: alpha subunit/beta subunit ydiP: predicted DNA-binding transcriptional regulator ydiQ: predicted electron transfer flavoprotein subunit ydiR: predicted electron transfer flavoprotein, FAD-binding subunit ydiS: predicted oxidoreductase with FAD/NAD(P)-binding domain ydiT: predicted 3Fe-4S ferredoxin-type protein fadK: short chain acyl-CoA synthetase, anaerobic
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熱力学的解析
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疑問点 ○著者らは、Acyl-CoA dehydrogenaseが不可逆であることは認識している筈だ。
○Enoyl-CoA reductaseを発現させないと、逆回転しないことも承知していた筈だ。 ○しかし、当初、YdiOの発現は特に狙ってはいないようだ。 ○YdiOのことを理解した上で、過剰発現は特に狙わなかったのだろうか? ○何故、fadE (逆方向の酵素をコードする遺伝子) を破壊しないのだろうか? ○Enoyl-CoAは大腸菌に悪影響を及ぼすのだろうか?
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Thioesterase-driven reaction
逆回転 β酸化経路による 物質生産 Thioesterase-driven reaction Nature 476: (2011)
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1回転で生成され得る他の物質の生産性 生産性の低さ ⇔ Driving Forceの欠如 TesA: Thioesterase I
TesB: Thioesterase II エノイル-CoAの毒性を示唆? 生産性の低さ ⇔ Driving Forceの欠如
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複数回の回転では? fadD: Acyl-CoA synthetase (欠損させることで脂肪酸の再吸収を防ぐ)
使用菌株:RB03 (RB02 [fadBA+] ΔyqhD ΔfucO ΔfadD) fadD: Acyl-CoA synthetase (欠損させることで脂肪酸の再吸収を防ぐ)
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総括 ○サイクルの利用:還元的TCAサイクルやカルビンベンソンサイクルも、ものつくりのプラットフォームになり得るだろう
○Driving Forceを巧く入れ込むことも重要 ○フラックスが大きい部分を利用することが根本的に重要 ○ものつくりの基盤情報として、フラックス解析を行うことが重要 ○紹介した論文には、多分に幸運が関わっていた? ○そうでないならば、著者らは、文書化していないデータに基づいた実験デザインを行っている筈だ・・。
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