多组学解析Sporomusa sphaeroides KIAC快速利用CO2的遗传基础及其在乙酸菌合成代谢中的调控机制

本研究通过多组学技术（Genome-seq/RNA-seq/dRNA-seq/Term-seq）揭示了新型乙酸菌Sporomusa sphaeroides KIAC高效固定CO2的分子机制，发现其独特的σ因子SigH调控网络和9种功能多样的氢化酶系统，为优化Wood-Ljungdahl（WL）途径和开发高效CO2生物转化技术提供了新策略。

　　

基因组与表型特征

从韩国牛粪中分离的Sporomusa sphaeroides KIAC展现出卓越的CO₂利用能力，其生长速率达0.135 h^?1，48小时内可完全消耗CO₂。基因组分析显示其拥有4.84 Mbp环形染色体，编码4,496个基因，包括完整的Wood-Ljungdahl（WL）通路基因簇。与模式菌株S. sphaeroides DSM 2875相比，KIAC的CO₂消耗速率提高1.3倍。¹³C标记实验证实其通过WL途径将CO₂转化为乙酸。

氢化酶多样性

比较基因组学揭示KIAC携带9种氢化酶（7个[FeFe]型和2个[NiFe]型），数量远超其他乙酸菌。其中，[NiFe]氢化酶与细胞色素b形成能量守恒系统，而[FeFe]氢化酶通过电子分叉机制为WL途径提供还原力（NADH/NADPH/Fd）。这种多样性可能是其低H₂阈值（<20 Pa）和快速CO₂转化的关键。

转录组架构解析

通过dRNA-seq和Term-seq技术，在H₂/CO₂和甜菜碱条件下鉴定到2,158个转录起始位点（TSS）和2,275个转录终止位点（TEP）。启动子分析发现6类σ因子结合 motif，其中SigH调控322个基因（占总数16.1%），包括WL通路关键基因（fchA/acsA/fdhF1等）。这与Bacillus subtilis中仅调控48个基因的SigH形成鲜明对比，表明其在乙酸菌中功能扩展。

异源表达验证

将KIAC的氢化酶（HDCR/电子分叉型/NADP还原型）在Eubacterium limosum中表达后，H₂/CO₂消耗速率提升1.5-2.1倍，并首次观察到H₂/CO₂批次培养下的丁酸生成（0.2-0.3 mM）。qRT-PCR证实表型由外源氢化酶驱动，其中NADP还原型氢化酶可能通过提高NADPH水平促进丁酸合成通路。

讨论与展望

研究首次揭示SigH在乙酸菌WL通路中的调控作用，并阐明多氢化酶系统通过增强H₂氧化和能量守恒促进CO₂固定。未来需解析氢化酶的催化特性，并探索SigH在其它乙酸菌中的保守性。这些发现为设计高效CO₂固定菌株提供了新靶点，尤其在H₂限制的合成气发酵中具有应用潜力。