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The hydrogen-dependent carbon dioxide reductase is a soluble enzyme complex that directly utilizes hydrogen (H2) for the reduction of carbon dioxide (CO2) to formate in the first step of the acetyl-coenzyme A- or Wood-Ljungdahl pathway (WLP). HDCR consists of 2 catalytic subunits, a hydrogenase and a formate dehydrogenase (FDH) and two small subunits carrying iron-sulfur clusters. The enzyme complex has been purified and characterized from two acetogenic bacteria, from the mesophile Acetobacterium woodii and, recently, from the thermophile Thermoanaerobacter kivui. Physiological studies toward the importance of the HDCR for growth and formate metabolism in acetogens have not been carried out yet, due to the lack of genetic tools. Here, we deleted the genes encoding HDCR in T. kivui taking advantage of the recently developed genetic system. As expected, the deletion mutant (strain TKV_MB013) did not grow with formate as single substrate or under autotrophic conditions with H2 + CO2. Surprisingly, the strain did also not grow on any other substrate (sugars, mannitol or pyruvate), except for when formate was added. Concentrated cell suspensions quickly consumed formate in the presence of glucose only. In conclusion, HDCR provides formate which was essential for growth of the T. kivui mutant. Alternatively, extracellularly added formate served as terminal electron acceptor in addition to CO2, complementing the growth deficiency. The results show a tight coupling of multi-carbon substrate oxidation to the WLP. The metabolism in the mutant can be viewed as a coupled formate + CO2 respiration, which may be an ancient metabolic trait.
Thermoanaerobacter kivui ist ein thermophiles acetogenes Bakterium, das chemolithoautotroph auf CO2 unter Verwendung von molekularem H2 als Elektronendonor wächst und Acetat als Produkt über den Wood-Ljungdahl-Weg (WLP) bildet. Im WLP werden 2 Mol CO2 reduziert, um ein Mol Acetyl-CoA zu bilden. Erste Studien wurden durchgeführt, um die Physiologie von T. kivui zu verstehen. T. kivui wächst autotroph auf H2 + CO2 und nach Adaptation auch auf CO oder Syngas. T. kivui wächst ebenfalls auch in Minimalmedium ohne weitere Zugabe von Vitaminen, was es zu einem Biokatalysator mit hohem Potenzial für die Produktion von Chemikalien mit hohem Mehrwert macht. Heterotroph wächst T. kivui auf Glucose, Fructose, Mannose, Pyruvat oder Formiat. Kürzlich wurde beschrieben, dass T. kivui in der Lage ist, auf dem Zuckeralkohol Mannitol in Gegenwart und Abwesenheit von HCO3- (oder externem CO2) zu wachsen. Allerdings war das Wachstum in Abwesenheit von externem CO2 deutlich verlangsamt. Daher wurde in dieser Studie getestet, ob eine Zugabe von externem Formiat das "fehlende" CO2 kompensieren kann. In Kombination mit Formiat wurde das Wachstum auf Mannitol in CO2 und HCO3- freien definierten Medien bis zu einer maximalen OD600 von 2,34 und mit einer Verdopplungszeit von 2,0 ± 0,0 stimuliert, was dem Wachstumsverhalten auf Mannitol in Anwesenheit von CO2/HCO3- entsprach. In Abwesenheit von Formiat (oder CO2) erreichte T. kivui nur eine endgültige optische Dichte von bis zu 0,7 mit einer verlängerten Verdoppelungszeit von 5,2 ± 0,2 Stunden. Dieses Experiment zeigte die höhe metabolische Flexibilität von T. kivui durch die Nutzung von Formiat als Elektronenakzeptor, wenn kein oder nur wenig CO2 vorhanden ist.
Genomanalysen ergaben, dass T. kivui ein Trehalose- und Maltose-Transportsystem-Permeaseprotein (MalF) besitzt. Darüber hinaus verfügt T. kivui über Trehalose- und Maltosehydrolase-Gene, die als Kojibiose-Phosphorylase annotiert sind. Obwohl in der Originalveröffentlichung beschrieben wurde, dass der Organismus nicht auf Maltose oder Trehalose wachsen kann, konnte T. kivui im Laufe dieser Arbeit an das Wachstum auf Maltose und Trehalose adaptiert werden. Nach dem Transfer von einer Glukose-Vorkultur auf ein Medium mit 25 mM Maltose oder 25 mM Trehalose als alleinige C-Quelle wurde kein Wachstum erzielt. Bei Verwendung der gleichen Vorkultur in einem Medium mit höherer Konzentration (50 mM) Maltose oder Trehalose, begannen die Zellen zu wachsen. Bei Verwendung dieser adaptierten kulturen als Vorkultur wuchsen die Zellen in Gegenwart von in 25 mM Maltose oder Trehalose bis zu einer maximalen OD600 von 1,12 bzw. 0,73. Die Adaptation hing mit der Tatsache zusammen, dass der Organismus eine höhere Konzentration benötigt, um sich an diese Kohlenstoffquellen zu gewöhnen. Durch diese Daten wird das heterotrophe Potenzial von T. kivui erhöht.
Um die Bedeutung der wasserstoffabhängigen Kohlendioxidreduktase (HDCR) während des Wachstums auf Formiat oder auf H2 + CO2 im Stoffwechsel von T. kivui zu verstehen, wurden Studien auf molekularer Ebene durchgeführt. Die HDCR nutzt H2 direkt für die Reduktion von CO2 zu Formiat im ersten Schritt des Wood-Ljungdahl-Wegs (WLP). Um die Rolle der HDCR in dieser Reaktion zu untersuchen, wurde das hdcr-Gencluster mit Hilfe des kürzlich entwickelten Mutagenesytems für T. kivui deletiert. In Wachstumstudien konnte anschliessend gezeigt werden, dass die ߡhdcr-Deletionsmutante nicht mehr auf Formiat oder H2 + CO2 als alleiniger Kohlenstoffquelle wachsen konnte. Nach Komplementation der Mutante mit dem hdcr-Gene in cis wuchsen die Kulture wieder auf Formiat oder H2 + CO2. Diese Experimente zeigten, dass die HDCR für das Wachstum auf H2 + CO2 oder Formiat essentiell ist. Interessanterweise konnte in der ߡhdcr-Mutante ebenfalls ein verändertes Wachstum auf Glukose als alleiniger C-Quelle festgestellt werden. Die T. kivui ߡhdcr-Mutante wuchs nur bis zu einer OD600 von 0,2, während der Wildtyp und der hdcr-komplementierte Stamm bis zu einer OD600 von 2,64 bzw. 2,4 wuchsen. Damit wurde bewiesen, dass die HDCR auch für die vollständige Glukoseoxidation in T. kivui erforderlich ist. Durch die Zugabe von Formiat wurde das Wachstum vollständig wiederhergestellt, ähnlich wie beim Wildtyp. Dies belegt wieder die Nutzung Formiat als terminalen Elektronenakzeptor. Auch auf Mannitol oder Pyruvat konnte die Mutanten nur in Gegenwart von Formiat wachsen. Der Substratverbrauch und die Produktbildung der T. kivui ߡhdcr-Mutante wurden in einem Zellsuspensionsexperiment untersucht. Die Zellen verbrauchten Formiat nur in Gegenwart von Glukose und produzierten Acetat mit einem Acetat/Substrat-Verhältnis von etwas mehr als 3,0, während die Acetatproduktion nur 12 mM betrug, wenn Glukose als alleiniges Substrat verwendet wurde. Diese Ergebnisse zeigen eine enge Kopplung der Oxidation von Multikohlenstoffsubstraten an den WLP.
T. kivui ist eines der wenigen Acetogenen, die CO als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen können. ...
Acetogenic bacteria have gained much attraction in recent years as they can produce different biofuels and biochemicals from H2 plus CO2 or even CO alone, therefore opening a promising alternative route for the production of biofuels from renewable sources compared to existing sugar‐based routes. However, CO metabolism still raises questions concerning the biochemistry and bioenergetics in many acetogens. In this study, we focused on the two acetogenic bacteria Acetobacterium woodii and Thermoanaerobacter kivui which, so far, are the only identified acetogens harbouring a H2‐dependent CO2 reductase and furthermore belong to different classes of ‘Rnf’‐ and ‘Ech‐acetogens’. Both strains catalysed the conversion of CO into the bulk chemical acetate and formate. Formate production was stimulated by uncoupling the energy metabolism from the Wood–Ljungdahl pathway, and specific rates of 1.44 and 1.34 mmol g−1 h−1 for A. woodii ∆rnf and T. kivui wild type were reached. The demonstrated CO‐based formate production rates are, to the best of our knowledge, among the highest rates ever reported. Using mutants of ∆hdcr, ∆cooS, ∆hydBA, ∆rnf and ∆ech2 with deficiencies in key enzyme activities of the central metabolism enabled us to postulate two different CO utilization pathways in these two model organisms.
Thermoanaerobacter kivui is an acetogenic model organism that reduces CO2 with electrons derived from H2 or CO, or from organic substrates in the Wood–Ljugdahl pathway (WLP). For the calculation of ATP yields, it is necessary to know the electron carriers involved in coupling of the oxidative and reductive parts of metabolism. Analyses of key catabolic oxidoreductases in cell-free extract (CFE) or with purified enzymes revealed the physiological electron carriers involved. The glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GA3P-DH) assayed in CFE was NAD+-specific, NADP+ was used with less than 4% and ferredoxin (Fd) was not used. The methylene-THF dehydrogenase was NADP+-specific, NAD+ or Fd were not used. A Nfn-type transhydrogenase that catalyzes reduced Fd-dependent reduction of NADP+ with NADH as electron donor was also identified in CFE. The electron carriers used by the potential electron-bifurcating hydrogenase (HydABC) could not be unambiguously determined in CFE for technical reasons. Therefore, the enzyme was produced homologously in T. kivui and purified by affinity chromatography. HydABC contained 33.9 ± 4.5 mol Fe/mol of protein and FMN; it reduced NADP+ but not NAD+. The methylene-THF reductase (MetFV) was also produced homologously in T. kivui and purified by affinity chromatography. MetFV contained 7.2 ± 0.4 mol Fe/mol of protein and FMN; the complex did neither use NADPH nor NADH as reductant but only reduced Fd. In sum, these analysis allowed us to propose a scheme for entire electron flow and bioenergetics in T. kivui.
Thermoanaerobacter kivui is a thermophilic acetogen that can grow on carbon monoxide as sole carbon and energy source. To identify the gene(s) involved in CO oxidation, the genome sequence was analyzed. Two genes potentially encoding CO dehydrogenases were identified. One, cooS, potentially encodes a monofunctional CO dehydrogenase, whereas another, acsA, potentially encodes the CODH component of the CODH/ACS complex. Both genes were cloned, a His-tag encoding sequence was added, and the proteins were produced from a plasmid in T. kivui. His-AcsA copurified by affinity chromatography with AcsB, the acetyl-CoA synthase of the CO dehydrogenase/acetyl CoA synthase complex. His-CooS copurified with CooF1, a small iron-sulfur center containing protein likely involved in electron transport. Both protein complexes had CO:ferredoxin oxidoreductase as well as CO:methyl viologen oxidoreductase activity, but the activity of CooSF1 was 15-times and 231-times lower, respectively. To underline the importance of CooS, the gene was deleted in the CO-adapted strain. Interestingly, the ∆cooS deletion mutant did not grow on CO anymore. These experiments clearly demonstrated that CooS is essential for growth of T. kivui on CO. This is in line with the hypothesis that CooS is the CO-oxidizing enzyme in cells growing on CO.