Метаболизм ксилозы
D- ксилоза представляет собой пятиуглеродную альдозу ( пентозу , моносахарид ), которая может катаболизироваться или метаболизироваться в полезные продукты различными организмами.
Существует по крайней мере четыре различных пути катаболизма D-ксилозы: Оксидоредуктазный путь присутствует у эукариотических микроорганизмов. Прокариоты обычно используют изомеразный путь, и у прокариотических микроорганизмов также присутствуют два окислительных пути, называемые путями Веймберга и Дамса соответственно.
Пути
[ редактировать ]Оксидоредуктазный путь
[ редактировать ]Этот путь также называется «ксилозоредуктаза-ксилитдегидрогеназа» или путь XR-XDH. Ксилозоредуктаза (XR) и ксилитдегидрогеназа (XDH) являются первыми двумя ферментами этого пути. XR восстанавливает D-ксилозу до ксилита с помощью НАДН или НАДФН . Затем ксилит окисляется до D-ксилулозы под действием XDH с использованием кофактора НАД . На последнем этапе D-ксилулоза фосфорилируется АТФ с использованием киназы XK, в результате чего образуется D-ксилулозо-5-фосфат , который является промежуточным продуктом пентозофосфатного пути .
Изомеразный путь
[ редактировать ]На этом пути фермент ксилозоизомераза превращает D-ксилозу непосредственно в D-ксилулозу. Затем D-ксилулоза фосфорилируется до D-ксилулозо-5-фосфата по оксидоредуктазному пути. В состоянии равновесия в результате изомеразной реакции образуется смесь 83% D-ксилозы и 17% D-ксилулозы, поскольку превращение ксилозы в ксилулозу энергетически невыгодно. [1]
Веймбергская тропа
[ редактировать ]Путь Веймберга [2] представляет собой окислительный путь, при котором D-ксилоза окисляется до D-ксилонолактона под действием D-ксилозодегидрогеназы с последующей гидролизом лактоназы до D-ксилоновой кислоты. Ксилонатдегидратаза отщепляет молекулу воды, образуя 2-кето-3-дезоксиксилонат . 2-кето-3-дезокс-D-ксилонатдегидратаза образует полуальдегид α-кетоглутарат. Впоследствии он окисляется с помощью α-кетоглутаратполуальдегиддегидрогеназы с образованием 2-кетоглутарата , который служит ключевым промежуточным продуктом в цикле лимонной кислоты. [3]
Путь Дамса
[ редактировать ]Путь Дамса [4] начинается как путь Веймберга, но 2-кето-3-дезоксиксилонат расщепляется альдолазой до пирувата и гликоляльдегида .
Биотехнологические приложения
[ редактировать ]Желательно ферментировать D-ксилозу до этанола. Этого можно добиться либо с помощью нативных дрожжей, ферментирующих ксилозу, таких как Scheffersomyces Pichia stipitis, либо с помощью метаболически модифицированных штаммов Saccharomyces cerevisiae . Pichia stipitis не так толерантна к этанолу, как традиционные продуцирующие этанол дрожжи Saccharomyces cerevisiae . S. cerevisiae С другой стороны, не может ферментировать D-ксилозу в этанол. В попытках создать штаммы S. cerevisiae , способные ферментировать D-ксилозу, XYL1 и XYL2 гены P. stipitis, кодирующие D-ксилозоредуктазу (XR) и ксилитдегидрогеназу (XDH), соответственно, были введены в S. cerevisiae путем средства генной инженерии. [5] XR катализирует образование ксилита из D-ксилозы, а XDH - образование D-ксилулозы из ксилита. Saccharomyces cerevisiae могут естественным образом ферментировать D-ксилулозу по пентозофосфатному пути .
В другом подходе бактериальные ксилозоизомеразы были внедрены в S. cerevisiae . Этот фермент катализирует прямое образование D-ксилулозы из D-ксилозы. Многие попытки экспрессии бактериальных изомераз не увенчались успехом из-за неправильного сворачивания или других проблем, но ксилозоизомераза из анаэробного гриба Piromyces Sp. доказал свою эффективность. [6] Одним из заявленных преимуществ S. cerevisiae , сконструированных с использованием ксилозоизомеразы, является то, что полученные клетки могут расти анаэробно на ксилозе после эволюционной адаптации.
Исследования потока через окислительный пентозофосфатный путь во время метаболизма D-ксилозы показали, что ограничение скорости этого этапа может быть полезным для эффективности ферментации до этанола. Модификации этого потока, которые могут улучшить производство этанола, включают удаление гена GND1 или гена ZWF1 . [7] Поскольку пентозофосфатный путь производит дополнительный НАДФН во время метаболизма, ограничение этого этапа поможет исправить уже очевидный дисбаланс между НАД(Ф)Н и кофакторами НАД+ и уменьшить образование побочных продуктов ксилита.
Другой эксперимент, сравнивающий два пути метаболизма D-ксилозы, показал, что путь XI лучше всего метаболизирует D-ксилозу с получением наибольшего выхода этанола, в то время как путь XR-XDH обеспечивает гораздо более высокую скорость производства этанола . [8]
неокислительного пентозофосфатного пути: Сверхэкспрессия четырех генов, кодирующих ферменты трансальдолазу , транскетолазу , рибулозо-5-фосфат эпимеразу и рибозо-5-фосфат-кетол-изомеразу. [9] привело как к повышению D-ксилулозы [10] и D-ксилоза [11] скорость ферментации.
Целью этой генетической рекомбинации в лаборатории является создание штамма дрожжей , который эффективно производит этанол. Однако эффективность лабораторных штаммов, метаболизирующих D-ксилозу, не всегда отражает их способность к метаболизму сырых ксилозных продуктов в природе. Поскольку D-ксилозу в основном выделяют из сельскохозяйственных отходов, таких как древесные отходы, то нативные или генетически измененные дрожжи должны эффективно метаболизировать эти менее чистые природные источники.
Различная экспрессия уровней ферментов XR и XDH была протестирована в лаборатории в попытке оптимизировать эффективность пути метаболизма D-ксилозы. [12]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хохстер, РМ; Уотсон, RW (1 января 1954 г.). «Ферментативная изомеризация d-ксилозы в d-ксилулозу». Архив биохимии и биофизики . 48 (1): 120–129. дои : 10.1016/0003-9861(54)90313-6 . ISSN 0003-9861 . ПМИД 13125579 .
- ^ Веймберг, Р. (1961). «Окисление пентозы Pseudomonas fragi » . Ж. Биол. Хим . 236 (3): 629–636. дои : 10.1016/S0021-9258(18)64279-6 . ПМИД 13783864 .
- ^ Шен, Лу; Кольхаас, Марта; Эноки, Дзюнъити; Мейер, Роланд; Шёненбергер, Бернхард; Вольгемут, Роланд; Курист, Роберт; Нимейер, Феликс; Ван Никерк, Дэвид; Бресен, Кристофер; Нимейер, Йохен; Снуп, Джеки; Зиберс, Беттина (2020). «Комбинированный экспериментальный и модельный подход для оптимизации пути Веймберга» . Природные коммуникации . 11 (1): 1–13. Бибкод : 2020NatCo..11.1098S . дои : 10.1038/s41467-020-14830-y . ПМК 7046635 . ПМИД 32107375 .
- ^ Дамс А.С. (1974). «Альдолаза 3-дезокси-D-пентулозоновой кислоты и ее роль в новом пути деградации D-ксилозы». Биохимия Биофиз Рес Коммьюнити . 60 (4): 1433–1439. дои : 10.1016/0006-291X(74)90358-1 . ПМИД 4423285 .
- ^ Элиассон А., Кристенссон С., Валбом К.Ф., Хан-Хегердал Б. (август 2000 г.). «Анаэробная ферментация ксилозы рекомбинантными Saccharomyces cerevisiae, несущими XYL1 , XYL2 и XKS1, в культурах хемостата на минеральной среде» . Прил. Окружающая среда. Микробиол . 66 (8): 3381–6. Бибкод : 2000ApEnM..66.3381E . дои : 10.1128/aem.66.8.3381-3386.2000 . ПМК 92159 . ПМИД 10919795 .
- ^ Кайпер М., Харханги Х.Р., Стейв А.К., Винклер А.А., Джеттен М.С., де Лаат В.Т., ден Риддер Дж.Дж., Оп ден Кэмп Х.Дж., ван Дейкен Дж.П., Пронк Дж.Т. (октябрь 2003 г.). «Высокоуровневая функциональная экспрессия грибковой ксилозоизомеразы: ключ к эффективной этанольной ферментации ксилозы Saccharomyces cerevisiae ?» . FEMS Дрожжи Рез . 4 (1): 69–78. дои : 10.1016/S1567-1356(03)00141-7 . ПМИД 14554198 .
- ^ Джеппссон, Мари; Йоханссон, Бьёрн; Хан-ХеГердал, Бэрбель; Горва-Грауслунд, Мари Ф. (2002). «Уменьшенный поток окислительного пентозофосфатного пути в рекомбинантных штаммах Saccharomyces cerevisiae , использующих ксилозу, улучшает выход этанола из ксилозы» . Прикладная и экологическая микробиология . 68 (4): 1604–9. Бибкод : 2002ApEnM..68.1604J . дои : 10.1128/АЕМ.68.4.1604-1609.2002 . ПМЦ 123863 . ПМИД 11916674 .
- ^ Кархумаа, Кайса; Санчес, Роза Гарсия; Хан-Хегердал, Бербель; Горва-Грауслунд, Мари-Ф (2007). «Сравнение путей ксилозоредуктазы-ксилитдегидрогеназы и ксилозоизомеразы для ферментации ксилозы рекомбинантными Saccharomyces cerevisiae» . Заводы по производству микробных клеток . 6 :5. дои : 10.1186/1475-2859-6-5 . ПМК 1797182 . ПМИД 17280608 .
- ^ Йоханссон Б., Хан-Хегердал Б. (февраль 2002 г.). «Перепроизводство ферментов пентозофосфатного пути с использованием нового вектора экспрессии CRE-loxP для повторной геномной интеграции в Saccharomyces cerevisiae» . Дрожжи . 19 (3): 225–31. дои : 10.1002/да.833 . ПМИД 11816030 . S2CID 21113541 .
- ^ Йоханссон Б., Хан-Хегердал Б. (август 2002 г.). «Неокислительный пентозофосфатный путь контролирует скорость ферментации ксилулозы, но не ксилозы в Saccharomyces cerevisiae TMB3001». FEMS Дрожжи Рез . 2 (3): 277–82. дои : 10.1111/j.1567-1364.2002.tb00095.x . ПМИД 12702276 .
- ^ Кархумаа К., Хан-Хегердал Б., Горва-Грауслунд М.Ф. (апрель 2005 г.). «Исследование лимитирующих метаболических этапов использования ксилозы рекомбинантными Saccharomyces cerevisiae с использованием метаболической инженерии» . Дрожжи . 22 (5): 359–68. дои : 10.1002/да.1216 . ПМИД 15806613 . S2CID 19700795 .
- ^ Валфридссон М., Андерлунд М., Бао Х., Хан-Хегердал Б. (август 1997 г.). «Экспрессия различных уровней ферментов генов XYL1 и XYL2 Pichia stipitis в Saccharomyces cerevisiae и ее влияние на образование продуктов во время использования ксилозы». Прил. Микробиол. Биотехнология . 48 (2): 218–24. дои : 10.1007/s002530051041 . ПМИД 9299780 . S2CID 19491471 .