HM1_2993基因敲除对Heliomicrobium modesticaldum代谢的影响

《Applied and Environmental Microbiology》：Deletion of Re-citrate synthase allows for analysis of contributions of tricarboxylic acid cycle directionality to the growth of Heliomicrobium modesticaldum

本研究揭示了Heliomicrobium modesticaldum中HM1_2993基因编码的Re-柠檬酸合成酶（Re-CS）在三羧酸循环（TCA cycle）中的关键作用，为理解其独特的碳代谢提供了重要依据。

　　 Heliomicrobium modesticaldum是一种属于厚壁菌门（Firmicutes）的光养细菌，其独特的代谢方式一直备受关注。该研究聚焦于其基因HM1_2993，通过基因敲除实验深入探究了该基因在Heliomicrobium modesticaldum代谢中的作用。

背景知识

Heliomicrobium modesticaldum是一种光养细菌，属于厚壁菌门（Firmicutes），其代谢途径中包含还原型三羧酸循环（rTCA cycle）和氧化型三羧酸循环（oTCA cycle）。尽管其基因组中缺乏典型的Si-柠檬酸合成酶基因，但之前的研究推测HM1_2993基因可能编码Re-柠檬酸合成酶（Re-CS），参与oTCA cycle。为了验证这一假设，研究人员利用CRISPR-Cas系统对该基因进行了敲除。

研究方法

研究人员首先利用CRISPR-Cas系统将HM1_2993基因替换为一个可选择的标记基因，成功构建了基因敲除突变株。通过对比野生型和突变株在不同碳源（如丙酮酸、乙酸+CO?）条件下的生长情况，研究人员分析了HM1_2993基因对Heliomicrobium modesticaldum代谢的影响。

实验结果与分析

实验结果显示，突变株在以丙酮酸为碳源时仍能正常生长，但在以乙酸+CO?为碳源时无法进行光养生长。这表明oTCA cycle在氧化乙酸以产生电子用于驱动乙酰辅酶A（acetyl-CoA）的羧化反应中起着关键作用。进一步的实验发现，通过添加不同的电子供体（如甲酸或抗坏血酸），可以恢复突变株在乙酸上的生长能力。这说明oTCA cycle是通过氧化乙酸来产生电子的。

此外，研究人员还发现，即使在没有额外有机补充的情况下，突变株也能在乙酸最小培养基中生长，这表明rTCA cycle能够支持足够的2-酮戊二酸（2-KG）的产生。这一结果与一些利用oTCA cycle的化能异养生物的柠檬酸合成酶突变株不同，后者通常需要额外的谷氨酸或阿拉伯糖来维持生长。

关键结论

本研究通过基因敲除实验，证实了HM1_2993基因编码Re-柠檬酸合成酶（Re-CS），并揭示了其在Heliomicrobium modesticaldum碳代谢中的重要作用。研究结果表明，oTCA cycle在氧化乙酸以产生电子方面具有关键作用，而rTCA cycle则能够在一定程度上替代oTCA cycle的功能，支持2-KG的产生。这一发现不仅为理解Heliomicrobium modesticaldum独特的碳代谢提供了重要依据，也为未来利用该生物作为平台进行氧气敏感化合物的合成提供了理论基础。

研究意义

Heliomicrobium modesticaldum作为一种独特的光养细菌，其代谢途径的研究对于理解微生物的碳代谢和能量转换具有重要意义。本研究通过深入探究HM1_2993基因的功能，揭示了其在三羧酸循环中的关键作用，为开发基于该生物的生物合成平台提供了重要的理论支持。此外，该研究还为理解其他微生物中类似的代谢途径提供了参考，有助于推动微生物代谢工程和合成生物学的发展。