纤维素分解菌Ruminiclostridium cellulolyticum中GTP驱动的中心碳代谢机制解析

《Communications Biology》：A GTP-driven central carbon metabolism in the cellulolytic bacterium Ruminiclostridium cellulolyticum

编辑推荐：本研究针对厌氧纤维素分解菌Ruminiclostridium cellulolyticum中心碳代谢(CCM)的非常规能量利用机制展开，通过系统表征所有关键激酶的NTP/NDP偏好性，首次揭示其CCM主要由GTP而非ATP驱动。研究发现上游NTP消耗激酶（如己糖激酶HK）高度依赖GTP（Km值较ATP低10-100倍），而下游NTP生成激酶（如磷酸甘油酸激酶PGK）无显著偏好性。通过跨物种激酶置换实验证实CCM的核苷酸灵活性，为微生物能量代谢多样性研究开辟新视角。

　　

在生命活动中，ATP长期被视为通用的"能量货币"，但自然界是否存在替代性能量载体一直是未解之谜。近期，法国国家科学研究中心（CNRS）的Henri-Pierre Fierobe团队在《Communications Biology》发表的研究，颠覆性地揭示了厌氧纤维素分解菌Ruminiclostridium cellulolyticum采用GTP作为中心碳代谢(CCM)主要驱动力的独特机制。这项研究不仅解释了该菌适应"纤维素分解生活方式"的代谢策略，更为微生物能量代谢的多样性研究提供了范式转变。

研究团队采用多组学联用策略：通过基因组分析定位所有CCM相关激酶基因；利用大肠杆菌异源表达系统（E. coli BL21(DE3)）结合Ni-NTA亲和层析纯化获得高纯度激酶；采用高效液相色谱-示差折光检测器(HPLC-RI)和酶偶联法测定各激酶动力学参数（K_m和k_cat）；构建基因敲除菌株（△hk）并通过质粒互补进行功能回补；使用HPAEC-PAD技术定量胞内嘌呤核苷酸池。

研究结果部分：
"Identification, overproduction and purification of the targeted kinases"：成功克隆表达并纯化了木酮糖激酶(XK)、磷酸甘油酸激酶(PGK)、丙酮酸激酶(PK)和乙酸激酶(AK)，其中PGK需额外凝胶过滤步骤达到均一性。

"Characterization of the selected kinases"：发现XK与HK类似，对GTP的K_m(0.12 mM)较ATP(1.18 mM)低10倍；PGK正向反应对ADP/GDP无明显偏好，但逆向反应对ATP效率较GTP高19倍；PK在果糖-1,6-二磷酸(FBP)存在时GDP催化效率提升7.7倍；AK正反向反应均无显著核苷酸偏好性。

"Introduction of an ATP-dependent glucokinase in R. cellulolyticum"：用大肠杆菌ATP依赖型GLK替换内源HK后，菌株在葡萄糖培养基生长不受影响（代时9.3 vs 9.6 h），但在高浓度纤维二糖(5 g/L)时生物量降低83%，提示低ATP环境限制GLK活性。

"Introduction of the GTP-dependent hexokinase in E. coli"：工程化大肠杆菌（缺失glk/ptsG/manZ/nagE/galR）表达R. cellulolyticum HK后，在麦芽糖培养基代时(88.7 min)甚至优于野生型(105.4 min)，证明真核生物CCM具备处理GDP通量的潜力。

"Quantification of the purine nucleotide pools"：测得R. cellulolyticum中ATP/GTP比(1.2)显著低于大肠杆菌(2.4)，GTP浓度达1.5 mM，满足HK催化需求(K_m=0.4 mM)。

讨论部分指出，这是首例完整揭示CCM由GTP驱动的系统性研究。不同于典型生物中NDK/PPK介导的核苷酸转换，R. cellulolyticum通过上下游激酶的协同偏好实现GTP循环：上游GTP消耗激酶（HK/XK）具有低K_m值，迫使下游激酶（PGK/PK/AK）利用生成的GDP再生产GTP。这种机制可能与其"慢速纤维素分解"的生活方式相关——GTP较ATP更高的化学稳定性更适合低代谢通量环境。研究还揭示了CCM的惊人可塑性：跨物种激酶置换后，两种微生物都能通过代谢网络重编程维持基本生理功能。这些发现不仅为理解极端环境微生物的能量适应策略提供新视角，也为设计合成生物学能量系统开辟了新思路。