Метилотроф - Methylotroph

Метилотрофы разнообразная группа микроорганизмы что может использовать уменьшенный одноуглеродные соединения, такие как метанол или же метан, как источник углерода для их роста; и многоуглеродные соединения, которые не содержат углерод-углеродных связей, такие как диметиловый эфир и диметиламин. В эту группу микроорганизмов входят также те, которые способны ассимилировать восстановленные одноуглеродные соединения посредством углекислый газ с использованием рибулоза бисфосфат путь.^[1] Эти организмы не следует путать с метаногены которые, напротив, производят метан в качестве побочного продукта из различных одноуглеродных соединений, таких как диоксид углерода. Некоторые метилотрофы могут разлагать парниковый газ метан, и в этом случае они называются метанотрофы. Изобилие, чистота и низкая цена метанола по сравнению с обычно используемыми сахарами делают метилотрофы компетентными организмами для производства аминокислоты, витамины, рекомбинантные белки, одноклеточные белки, коферменты и цитохромы.

Метаболизм

Общие этапы метилотрофного метаболизма, включающие 4 известных ассимиляционных метилотрофных пути. Также показан общий катаболический путь. Q обозначает мембраносвязанный хинон. Метанмонооксигеназа (MMO) и формиатдегидрогеназа (FDH) могут быть мембраносвязанными или цитоплазматическими, тогда как метанолдегидрогеназа (MDH) и формальдегиддегидрогеназа (FALDH) всегда связаны с мембраной.

Ключевой промежуточный продукт в метилотрофном метаболизм представляет собой формальдегид, который может быть отведен либо ассимиляционным, либо диссимиляционным путям.^[2] Метилотрофы производят формальдегид путем окисления метанола и / или метана. Для окисления метана требуется фермент метанмонооксигеназа (MMO).^[3][4] Метилотрофы с этим ферментом получили название метанотрофы. Окисление метана (или метанола) может иметь ассимиляционный или диссимиляционный характер (см. Рисунок). В случае диссимиляции промежуточный формальдегид полностью окисляется до ${\displaystyle {\ce {CO2}}}$ для производства восстановителя и энергии.^[5][6] В случае ассимиляции промежуточный формальдегид используется для синтеза 3-углеродного (${\displaystyle {\ce {C3}}}$) соединение для производства биомассы.^[2][7] Многие метилотрофы используют многоуглеродные соединения для анаболизма, тем самым ограничивая использование формальдегида диссимиляционными процессами, однако метанотрофы обычно ограничиваются только ${\textstyle {\ce {C1}}}$метаболизм.^[2][5]

Соединения, поддерживающие метилотрофный метаболизм^{[7][8][9][10][11]}

Одноуглеродные соединения	Химическая формула	Многоуглеродные соединения	Химическая формула
Монооксид углерода	${\displaystyle {\ce {CO}}}$	Диметиловый эфир	${\displaystyle {\ce {(CH3)2O}}}$
Формальдегид	${\displaystyle {\ce {CH2O}}}$	Диметиламин	${\displaystyle {\ce {(CH3)2NH}}}$
Формамид	${\displaystyle {\ce {HCONH2}}}$	Диметилсульфид	${\displaystyle {\ce {(CH3)2S}}}$
Муравьиная кислота	${\displaystyle {\ce {HCOOH}}}$	Тетраметиламмоний	${\displaystyle {\ce {(CH3)4N+}}}$
Метан	${\displaystyle {\ce {CH4}}}$	Триметиламин	${\displaystyle {\ce {(CH3)3N}}}$
Метанол	${\displaystyle {\ce {CH3OH}}}$	Триметиламин N-окись	${\displaystyle {\ce {(CH3)3NO}}}$
Метиламин	${\displaystyle {\ce {CH3NH2}}}$	Триметилсуфоний	${\displaystyle {\ce {(CH3)3S+}}}$
Метилгалогенид	${\displaystyle {\ce {CH3X}}}$

Катаболизм

Метилотрофы используют электронная транспортная цепь для сохранения энергии, получаемой при окислении ${\displaystyle {\ce {C1}}}$ соединения. Дополнительная стадия активации требуется в метанотрофном метаболизме, чтобы обеспечить разложение химически стабильного метана. Это окисление до метанола катализируется MMO, который включает один атом кислорода из ${\displaystyle {\ce {O2}}}$ превращается в метан и восстанавливает другой атом кислорода до воды, что требует двух эквивалентов восстановительной мощности.^[4][5] Затем метанол окисляется до формальдегида под действием метанолдегидрогеназа (MDH) в бактериях,^[12] или неспецифическая оксидаза алкоголя в дрожжах.^[13] Электроны от окисления метанола передаются ассоциированному с мембраной хинону цепи переноса электронов, чтобы произвести ${\displaystyle {\ce {ATP}}}$.^[14]

В диссимиляционных процессах формальдегид полностью окисляется до ${\displaystyle {\ce {CO2}}}$ и выводится. Формальдегид окисляется до формиата под действием Формальдегиддегидрогеназа (FALDH), который поставляет электроны непосредственно в связанный с мембраной хинон цепи переноса электронов, обычно цитохром b или c.^[2][5] В случае ${\displaystyle {\ce {NAD+}}}$ ассоциированные дегидрогеназы, ${\displaystyle {\ce {NADH}}}$ производится.^[7]

Наконец, формиат окисляется до ${\displaystyle {\ce {CO2}}}$ цитоплазматическим или мембраносвязанным Формиатдегидрогеназа (FDH), производя ${\displaystyle {\ce {NADH}}}$^[15] и ${\displaystyle {\ce {CO2}}}$.

Анаболизм

Основная метаболическая проблема метилотрофов - ассимиляция единичных углеродных единиц в биомассу. Посредством синтеза de novo метилотрофы должны образовывать углерод-углеродные связи между 1-углеродом (${\displaystyle {\ce {C1}}}$) молекул. Это энергоемкий процесс, которого факультативные метилотрофы избегают, используя ряд более крупных органических соединений.^[16] Однако облигатные метилотрофы должны ассимилироваться ${\displaystyle {\ce {C1}}}$ молекулы.^[2][5] Существует четыре различных пути ассимиляции, объединяющих общую тему создания одного ${\displaystyle {\ce {C3}}}$ молекула.^[2] Бактерии используют три из этих путей^[7][11] в то время как грибы используют один.^[17] Все четыре пути включают 3 ${\displaystyle {\ce {C1}}}$ молекулы в многоуглеродные промежуточные соединения, а затем расщепить один промежуточный продукт на новый ${\displaystyle {\ce {C3}}}$ молекула. Остальные промежуточные соединения перегруппировываются, чтобы регенерировать исходные многоуглеродные промежуточные соединения.

Бактерии

У каждого вида метилотрофных бактерий есть один доминирующий путь ассимиляции.^[5] Три описанных пути ассимиляции углерода - это рибулозный монофосфат (RuMP) и сериновый путь ассимиляции формальдегида, а также рибулозобисфосфатный (RuBP) путь ассимиляции CO2.^{[2][7][11][18]}

Цикл рибулозобисфосфата (RuBP)

В отличие от других ассимиляционных путей, бактерии, использующие путь RuBP, получают весь свой органический углерод из ${\displaystyle {\ce {CO2}}}$ ассимиляция.^[5][19] Этот путь был впервые выяснен у фотосинтезирующих автотрофов и более известен как цикл Кальвина.^[19][20] Вскоре после этого метилотрофные бактерии, которые могли расти на уменьшенных ${\displaystyle {\ce {C1}}}$ соединения были обнаружены с использованием этого пути.^[21]

Сначала 3 молекулы рибулозо-5-фосфата фосфорилируются до рибулоза 1,5-бисфосфат (RuBP). Фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза (RuBisCO) карбоксилирует эти молекулы RuBP, что дает 6 молекул 3-фосфоглицерат (PGA). Фермент фосфоглицераткиназа фосфорилирует PGA в 1,3-дифосфоглицерат (DPGA). Восстановление 6 DPGA ферментом глицеральдегид фосфатдегидрогеназа генерирует 6 молекул ${\displaystyle {\ce {C3}}}$ сложный глицеральдегид-3-фосфат (ЗАЗОР). Одна молекула GAP направляется в сторону биомассы, в то время как другие 5 молекул регенерируют 3 молекулы рибулозо-5-фосфата.^[7][20]

Цикл монофосфата рибулозы (RuMP)

Путь RuMP у метанотрофов I типа

Заподозрили новый путь, когда RuBisCO не был обнаружен в метанотрофе. Methylmonas methanica.^[22] В ходе экспериментов по радио-маркировке было показано, что М. метаника использовали путь монофата рибулозы (RuMP). Это привело исследователей к предположению, что цикл RuMP мог предшествовать циклу RuBP.^[5]

Как и цикл RuBP, этот цикл начинается с 3 молекул рибулозо-5-фосфата. Однако вместо фосфорилирования рибулозо-5-фосфата 3 молекулы формальдегида образуют связь C-C посредством альдольной конденсации, образуя 3 молекулы формальдегида. ${\displaystyle {\ce {C6}}}$ молекулы 3-гексулозо-6-фосфата (гексулозофосфат). Одна из этих молекул гексулозофосфата превращается в GAP и либо пируват или же дигидроксиацетонфосфат (DHAP). Пируват или DHAP используется для биомассы, в то время как другие 2 молекулы гексулозофосфата и молекула GAP используются для регенерации 3 молекул рибулозо-5-фосфата.^[6][22]

Сериновый цикл

В отличие от других ассимиляционных путей, сериновый цикл использует карбоновые кислоты и аминокислоты в качестве промежуточных продуктов вместо углеводов.^[5][23] Сначала к 2 молекулам аминокислоты добавляются 2 молекулы формальдегида. глицин. Это производит две молекулы аминокислоты серин, ключевой промежуточный продукт этого пути. Эти молекулы серина в конечном итоге производят 2 молекулы 2-фосфоглицерат, с одним ${\displaystyle {\ce {C3}}}$ молекула идет к биомассе, а другая используется для регенерации глицина. Примечательно, что для регенерации глицина требуется молекула ${\displaystyle {\ce {CO2}}}$ также, следовательно, сериновый путь также отличается от других трех путей тем, что ему необходимы как формальдегид, так и ${\displaystyle {\ce {CO2}}}$.^[22][23]

Дрожжи

Метаболизм метилотрофных дрожжей отличается от метаболизма бактерий в первую очередь на основе используемых ферментов и пути ассимиляции углерода. В отличие от бактерий, которые используют бактериальный MDH, метилотрофные дрожжи окисляют метанол в своих пероксисомы с неспецифической алкогольной оксидазой. Это производит формальдегид, а также перекись водорода.^[24][25] Компартментализация этой реакции в пероксисомах, вероятно, приводит к секвестрации производимой перекиси водорода. Каталаза вырабатывается в пероксисомах для борьбы с этим вредным побочным продуктом.^[17][24]

Цикл дигидроксиактеона (DHA)

В дигидроксиацетон (DHA) путь, также известный как путь монофосфата ксилулозы (XuMP), обнаружен исключительно в дрожжах.^[24][26] Этот путь ассимилирует три молекулы формальдегида в 1 молекулу DHAP с использованием 3 молекул ксилулоза 5-фосфат в качестве ключевого промежуточного звена.

DHA-синтаза действует как трансфераза (транскетолаза) для передачи части ксилулозо-5-фосфата DHA. Затем эти 3 молекулы DHA фосфорилируются до DHAP посредством триокиназа. Как и другие циклы, 3 ${\displaystyle {\ce {C3}}}$ производятся молекулы, при этом 1 молекула предназначена для использования в качестве клеточного материала. Остальные 2 молекулы используются для регенерации ксилулозо-5-фосфата.^[27]

Последствия для окружающей среды

Как ключевые игроки в цикл углерода, метилотрофы снижают глобальное потепление в первую очередь за счет поглощения метана и других парниковых газов. В водной среде метаногенные бактерии производят 40-50% метана в мире. Симбиоз между метаногенами и метанотрофными бактериями значительно снижает количество метана, выбрасываемого в атмосферу.^[28]

Использование метилотрофов в сельскохозяйственном секторе - еще один способ, которым они потенциально могут повлиять на окружающую среду. Традиционный химические удобрения поставляют питательные вещества, которые трудно получить из почвы, но они могут иметь негативное воздействие на окружающую среду и являются дорогостоящими в производстве.^[29] Метилотрофы имеют высокий потенциал в качестве альтернативы биоудобрения и биоинокулянты из-за их способности устанавливать мутуалистические отношения с несколькими видами растений.^[30] Метилотрофы обеспечивают растения питательными веществами, такими как растворимый фосфор и фиксированный азот, а также играют роль в усвоении указанных питательных веществ.^[29][30] Кроме того, они могут помочь растениям реагировать на факторы стресса окружающей среды за счет производства фитогормоны.^[29] Метилотрофный рост также подавляет рост вредных патогенов растений и вызывает системную резистентность.^[30] Было показано, что метилотрофные биоудобрения, используемые отдельно или вместе с химическими удобрениями, повышают как урожайность, так и качество без потери питательных веществ.^[29]

Рекомендации

1. Энтони, К. "Биохимия метилотрофов". Академическая пресса, 1982, с. 2-3
2. Юримото, Хироя; Като, Нобуо; Сакаи, Ясуёси (01.01.2005). «Ассимиляция, диссимиляция и детоксикация формальдегида, центрального промежуточного звена метаболизма метилотрофного метаболизма». Химический рекорд. 5 (6): 367–375. Дои:10.1002 / tcr.20056. ISSN  1528-0691. PMID  16278835.
3. Нгуен, Нгок-Лой; Ю, Вун-Чжон; Ян, Хе Ён; Ким, Чен-Геол; Юнг, Ман-Янг; Пак, Су-Дже; Ро, Сон Ун; Ри, Сон Гын (28 сентября 2017 г.). «Новый метанотроф из рода Methylomonas, который содержит отчетливую кладу растворимой метанмонооксигеназы». Журнал микробиологии. 55 (10): 775–782. Дои:10.1007 / s12275-017-7317-3. PMID  28956349.
4. Росс, Мэтью О .; Розенцвейг, Эми К. (2017-04-01). «Сказка о двух монооксигеназах метана». Журнал JBIC по биологической неорганической химии. 22 (2–3): 307–319. Дои:10.1007 / s00775-016-1419-y. ISSN  0949-8257. ЧВК  5352483. PMID  27878395.
5. Hanson, R. S .; Хэнсон, Т. Э. (1996-06-01). «Метанотрофные бактерии». Микробиологические обзоры. 60 (2): 439–471. ISSN  1092-2172. ЧВК  239451. PMID  8801441.
6. Ворхольт, Джулия А. (01.10.2002). «Кофактор-зависимые пути окисления формальдегида у метилотрофных бактерий». Архив микробиологии. 178 (4): 239–249. Дои:10.1007 / s00203-002-0450-2. ISSN  0302-8933. PMID  12209256.
7. Дж. Колби; H Dalton; Уиттенбери и Р. (1979). «Биологические и биохимические аспекты роста микробов на соединениях C1». Ежегодный обзор микробиологии. 33 (1): 481–517. Дои:10.1146 / annurev.mi.33.100179.002405. PMID  386931.
8. Oremland, Ronald S .; Kiene, Ronald P .; Матрани, Индра; Whiticar, Майкл Дж .; Бун, Дэвид Р. (1989-04-01). "Описание метаногена эстуарного метилотрофного, который растет на диметилсульфиде". Прикладная и экологическая микробиология. 55 (4): 994–1002. Дои:10.1128 / AEM.55.4.994-1002.1989. ISSN  0099-2240. ЧВК  184236. PMID  16347900.
9. Холмс, Эндрю Дж .; Kelly, D.P .; Бейкер, Саймон С .; Томпсон, А. С .; Марко, Паоло Де; Кенна, Элизабет М .; Мюррелл, Дж. Колин (1 января 1997 г.). "Methylosulfonomonas methylovora gen. Nov., Sp. Nov. И Marinosulfonomonas methylotropha gen. Nov., Sp. Nov .: новые метилотрофы, способные расти на метансульфоновой кислоте". Архив микробиологии. 167 (1): 46–53. Дои:10.1007 / s002030050415. ISSN  0302-8933. PMID  9000341.
10. Келли, Дон П .; Бейкер, Саймон С .; Трикетт, Джим; Дэйви, Маргарет; Мюррелл, Дж. Колин (1994). «Использование метансульфоната новой метилотрофной бактерией включает необычную монооксигеназу». Микробиология. 140 (6): 1419–1426. Дои:10.1099/00221287-140-6-1419.
11. Фирсова Юлия; Доронина, Нина; Ланг, Эльке; Spröer, Катрин; Вюйомье, Стефан; Троценко, Юрий (2009). «Ancylobacter dichloromethanicus sp. Nov. - новая аэробная факультативно метилотрофная бактерия, использующая дихлорметан». Систематическая и прикладная микробиология. 32 (4): 227–232. Дои:10.1016 / j.syapm.2009.02.002. PMID  19346095.
12. Duine, J.a .; Франк, Дж .; Berkhout, M.p.j. (1984-03-26). «НАД-зависимая PQQ-содержащая метанолдегидрогеназа: бактериальная дегидрогеназа в мультиферментном комплексе». Письма FEBS. 168 (2): 217–221. Дои:10.1016/0014-5793(84)80249-5. ISSN  1873-3468. PMID  6373362.
13. Мюррей, Уильям Д .; Дафф, Шелдон Дж. Б.; Лантье, Патрисия Х. (1 ноября 1989 г.). «Индукция и стабильность алкогольоксидазы в метилотрофных дрожжах Pichia pastoris». Прикладная микробиология и биотехнология. 32 (1): 95–100. Дои:10.1007 / BF00164829. ISSN  0175-7598.
14. Verseveld, H. W. Van; Стаутхамер, А. Х. (1978-07-01). «Электронно-транспортная цепь и сопряженное окислительное фосфорилирование в Paracoccus denitrificans, выращенных в метаноле». Архив микробиологии. 118 (1): 13–20. Дои:10.1007 / BF00406068. ISSN  0302-8933. PMID  29587.
15. Чистосердова Людмила; Кроутер, Грегори Дж .; Vorholt, Julia A .; Сковран, Элизабет; Portais, Жан-Шарль; Лидстрем, Мэри Э. (2007-12-15). «Идентификация четвертой формиатдегидрогеназы в Methylobacterium extorquens AM1 и подтверждение важной роли окисления формиата в метилотрофии». Журнал бактериологии. 189 (24): 9076–9081. Дои:10.1128 / jb.01229-07. ISSN  0021-9193. ЧВК  2168636. PMID  17921299.
16. Рид, Уильям М .; Дуган, Патрик Р. (1987). «Выделение и характеристика факультативного Methylotroph Mycobacterium ID-Y». Микробиология. 133 (5): 1389–1395. Дои:10.1099/00221287-133-5-1389. PMID  3655742.
17. van der Klei, Ida J .; Юримото, Хироя; Сакаи, Ясуёси; Винхуис, Мартен (2006). «Значение пероксисом в метаболизме метанола у метилотрофных дрожжей» (PDF). Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Исследование молекулярных клеток. 1763 (12): 1453–1462. Дои:10.1016 / j.bbamcr.2006.07.016. PMID  17023065.
18. ТЕЙЛОР, СТИВЕН С .; ДАЛТОН, ХОВАРД; ДОУ, КРОУФОРД С. (1981). «Рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза / оксигеназа и ассимиляция углерода у Methylococcus capsulatus (ванна)». Микробиология. 122 (1): 89–94. Дои:10.1099/00221287-122-1-89.
19. Рейнс, Кристин А. (01.01.2003). «Возвращение к циклу Кальвина». Фотосинтез Исследования. 75 (1): 1–10. Дои:10.1023 / А: 1022421515027. ISSN  0166-8595. PMID  16245089.
20. Шампиньи, Мария-Луиза; Висмут, Эвелин (1 января 1976 г.). «Роль фотосинтетического переноса электронов в световой активации ферментов цикла Кальвина». Physiologia Plantarum. 36 (1): 95–100. Дои:10.1111 / j.1399-3054.1976.tb05034.x. ISSN  1399-3054.
21. Тейлор, Стивен; Далтон, Ховард; Доу, Кроуфорд (1980-07-01). «Очистка и начальная характеристика рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы из Methylococcus capsulatus (Bath)». Письма о микробиологии FEMS. 8 (3): 157–160. Дои:10.1016 / 0378-1097 (80) 90021-х.
22. Куэйл, Дж. Р. (1 февраля 1980 г.). «Микробная ассимиляция соединений C1». Сделки Биохимического Общества. 8 (1): 1–10. Дои:10.1042 / bst0080001. ISSN  0300-5127. PMID  6768606.
23. Чистосердова, Л. В .; Лидстром, М. Э. (1994-12-01). «Генетика серинового цикла Methylobacterium extorquens AM1: идентификация, последовательность и мутация трех новых генов, участвующих в ассимиляции C1, orf4, mtkA и mtkB». Журнал бактериологии. 176 (23): 7398–7404. Дои:10.1128 / jb.176.23.7398-7404.1994. ISSN  0021-9193. ЧВК  197134. PMID  7961516.
24. Юримото, Хироя; Оку, Масахиде; Сакаи, Ясуёси (2011). «Метилотрофия дрожжей: метаболизм, регуляция генов и пероксисомный гомеостаз». Международный журнал микробиологии. 2011: 101298. Дои:10.1155/2011/101298. ISSN  1687-918X. ЧВК  3132611. PMID  21754936.
25. Гончар, Михаил; Майдан, Николай; Корпан, Ярослав; Сибирский, Владимир; Котылак, Збигнев; Сибирский, Андрей (01.08.2002). «Метаболически сконструированные метилотрофные дрожжевые клетки и ферменты в качестве сенсорных элементов биораспознавания». FEMS дрожжевые исследования. 2 (3): 307–314. Дои:10.1016 / с1567-1356 (02) 00124-1. ISSN  1567-1356. PMID  12702280.
26. Глисон, М. А .; Садбери, П. Э. (1988-03-01). «Метилотрофные дрожжи». Дрожжи. 4 (1): 1–15. Дои:10.1002 / год.320040102. ISSN  1097-0061.
27. WAITES, M. J .; Куэйл, Дж. Р. (1981). «Взаимосвязь между транскетолазой и активностью дигидроксиацетонсинтазы в метилотрофных дрожжах Candida boidinii». Микробиология. 124 (2): 309–316. Дои:10.1099/00221287-124-2-309. PMID  6276498.
28. Гийом Боррель, Дидье Жезекель, Коринн Бидер-Пети, Николь Морель-Дерозье, Жан-Пьер Морель, Пьер Пейре, Жерар Фонти, Анн-Катрин Лехур, Производство и потребление метана в экосистемах пресноводных озер, В исследованиях в области микробиологии, том 162, Выпуск 9, 2011, страницы 832-847, ISSN 0923-2508, https://doi.org/10.1016/j.resmic.2011.06.004.
29. Кумар, Маниш; Сингх Томар, Раджеш; Лэйд, Харшад; Пол, Диби (2016). «Метилотрофные бактерии в устойчивом сельском хозяйстве». Всемирный журнал микробиологии и биотехнологии. 32 (7): 120. Дои:10.1007 / s11274-016-2074-8. PMID  27263015.
30. Iguchi, H .; Юримото, H .; Сакаи, Ю. (2015). «Взаимодействие метилотрофов с растениями и другими гетеротрофными бактериями». Микроорганизмы. 3 (2): 137–151. Дои:10.3390 / микроорганизмы3020137. ЧВК  5023238. PMID  27682083.