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文章背景简介  

BACKGROUND INTRODUCTION

不久之前，中科院天津工业生物技术研究所的科研人员们，成功的利用二氧化碳合成了淀粉，使人们对于二氧化碳在合成生物学中的应用价值，产生了更高的关注与期待。

产乙酸微生物可以利用有机底物，如糖、氢气（H2）、二氧化碳（CO2）。嗜热产乙酸的厌氧微生物Thermoanaerobacter kivui是少数利用甘露醇的产乙酸微生物之一，这一过程依赖于编码甘露醇吸收、磷酸化和甘露醇－1－磷酸氧化为果糖－6－磷酸的基因簇。

大多数产乙酸菌以C6糖（例如：葡萄糖和甘露醇）为基质异养生长：

葡萄糖产乙酸：C6H12O6 ＋ 2H2O→ 2CH3COOH ＋ 2CO2 ＋ 8［H］（1）

2CO2 ＋ 8［H］→ CH3COOH ＋ 2H2O（2）

C6H12O6→ 3CH3COOH（3）

甘露醇产乙酸：C6H14O6 ＋ 2H2O→ 2CH3COOH ＋ 2CO2 ＋ 10［H］（4）

甘露醇是褐藻中一种丰富的储备碳水化合物，那当底物为甘露醇时，是如何代谢的呢？且甘露醇发酵相对于葡萄糖多产生了两个［H］，那么两个电子去了哪里？在产乙酸菌转化甘露醇的过程中，电子要么沉积在糖氧化的中间产物上、产生比乙酸更还原的产物，要么沉积在外部电子受体上。

Wood－Ljungdahl通路（WLP） 是一种古老的碳固定通路。一些厌氧微生物如产乙酸菌、产甲烷菌等主要通过 Wood－Ljungdahl通路， 依靠 CO／CO2和氢气为碳源和能源， 合成乙酰辅酶A， 进行物质和能量代谢。Wood－Ljungdahl通路广泛存在于厌氧细菌和古细菌中， 用于合成代谢和分解代谢。然而，甘露醇氧化与WLP的耦合尚未在任何产乙酸菌中详细研究。

2020年11月，来自德国法兰克福约翰沃尔夫冈歌德大学的Jimyung Moon等在《Front Microbiol》（IF＝4．235，生物二区微生物学二区）发表了题为“Homoacetogenic conversion of mannitol by the thermophilic acetogenic bacterium Thermoanaerobacter kivui requires external CO2”的文章。作者通过各种条件下生长细胞和细胞悬浮液的生理实验，提出了厌氧微生物Thermoanaerobacter kivui中甘露醇的代谢模型。对磷酸转移酶系统摄取甘露醇和通过耐高温甘露醇－1－磷酸脱氢酶转化甘露醇－1－磷酸进行了研究，包括三种主要的氢化酶，以解释［H］如何在糖酵解过程中生成乙酸或乙酸＋H2。研究发现，T． kivui在生长和转化甘露醇的过程中，是利用外部CO2作为额外的电子受体。

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所用到的主要方法

METHODS  

高效液相色谱法（HPLC）

气相色谱法（GC）

微生物生长曲线绘制

静息细胞实验

基质减少和产物形成分析

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文章主要内容摘要

ABSTRACT

T．kivui休眠细胞和生长细胞的实验表明，在有HCO3?的条件下，甘露醇以同型乙酸的方式“发酵”被快速消耗，即乙酸是唯一的产物，且乙酸与甘露醇的比例高于3；在无HCO3?的培养条件下，每个甘露醇产生的乙酸比例显著降低，孵育3小时后，加入HCO3?，甘露醇的消耗和乙酸的生成再次加快。根据前述方程式，多余的2个转移到NAD＋的电子又去了哪里？理论上可能是生成副产物，但实验证实虽然有乳酸、乙醇产生但过于微量、可忽略不计，那电子就只能转移到了CO2，才会出现甘露醇完全被消耗，乙酸产生过量的现象。由此证明甘露醇氧化产生的额外电子被引导到WLP中以固定CO2，即甘露醇可以利用CO2产生乙酸，4C6H14O6 ＋ 2C＋4O2→ 13C－3H3C＋3OO? ＋ 13H＋ ＋ 2H2O；

在没有CO2的培养基中，质子被还原为H2，但甘露醇的转化显著降低，细胞生长速度慢了2．5倍。然而，当加入甲酸盐后，与存在CO2／HCO3?的环境下观察到的生长行为相对应，且实验发现外界的甲酸盐完全取代了外部的CO2／HCO3?，是唯一添加的电子受体。利用除CO2以外的电子受体的能力，增强了在没有或很少CO2存在的环境中或在不断变化的环境条件下产乙酸菌的代谢灵活性。

       原文标题 : 嗜热厌氧菌Thermoanaerobacter kivui利用二氧化碳，将甘露醇转化为同型乙酸