Метаболизм ксилозы

D- ксилоза — это пятиуглеродная альдоза ( пентоза , моносахарид ), которая может катаболизироваться или метаболизироваться в полезные продукты различными организмами.

Существует по крайней мере четыре различных пути катаболизма D-ксилозы: Оксидоредуктазный путь присутствует в эукариотических микроорганизмах. Прокариоты обычно используют изомеразный путь, а два окислительных пути, называемые путями Веймберга и Дамса соответственно, также присутствуют в прокариотических микроорганизмах.

Пути

Оксидоредуктазный путь

Этот путь также называется «ксилозоредуктаза-ксилитолдегидрогеназа» или путь XR-XDH. Ксилозоредуктаза (XR) и ксилитолдегидрогеназа (XDH) являются первыми двумя ферментами в этом пути. XR восстанавливает D-ксилозу до ксилита с помощью NADH или NADPH . Затем ксилит окисляется до D-ксилулозы с помощью XDH, используя кофактор NAD . 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

В этом пути фермент ксилозоизомераза преобразует D-ксилозу непосредственно в D-ксилулозу. Затем D-ксилулоза фосфорилируется до D-ксилулозо-5-фосфата, как в оксидоредуктазном пути. В равновесии реакция изомеразы приводит к смеси 83% D-ксилозы и 17% D-ксилулозы, поскольку преобразование ксилозы в ксилулозу энергетически невыгодно. ^[1]

Путь Ваймберга

Путь Ваймберга ^[2] является окислительным путем, где D-ксилоза окисляется до D-ксилонолактона с помощью D-ксилозодегидрогеназы, а затем лактоназы для гидролиза лактона до D-ксилоновой кислоты. Ксилонатдегидратаза отщепляет молекулу воды, в результате чего образуется 2-кето-3-дезокси-ксилонат. 2-кето-3-дезокс-D-ксилонатдегидратаза образует α-кетоглутаратполуальдегид. Он впоследствии окисляется с помощью α-кетоглутаратполуальдегиддегидрогеназы с получением 2-кетоглутарата, который служит ключевым промежуточным продуктом в цикле лимонной кислоты. ^[3]

Путь Дамса

Путь Дамса ^[4] начинается так же, как и путь Веймберга, но 2-кето-3-дезокси-ксилонат расщепляется альдолазой на пируват и гликольальдегид .

Биотехнологические приложения

Желательно ферментировать D-ксилозу в этанол. Это можно осуществить либо с помощью нативных дрожжей, ферментирующих ксилозу, таких как Scheffersomyces Pichia stipitis , либо с помощью метаболически модифицированных штаммов Saccharomyces cerevisiae . Pichia stipitis не так устойчивы к этанолу, как традиционные производящие этанол дрожжи Saccharomyces cerevisiae . С другой стороны, S. cerevisiae не могут ферментировать D-ксилозу в этанол. В попытках создать штаммы S. cerevisiae , способные ферментировать D-ксилозу, гены XYL1 и XYL2 P. stipitis, кодирующие D-ксилозоредуктазу (XR) и ксилитолдегидрогеназу (XDH) соответственно, были введены в S. cerevisiae с помощью генной инженерии. ^[5] XR катализируют образование ксилита из D-ксилозы, а XDH — образование D-ксилулозы из ксилита. Saccharomyces cerevisiae могут естественным образом ферментировать D-ксилулозу через пентозофосфатный путь .

В другом подходе бактериальные ксилозоизомеразы были введены 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 грибка Piromyces Sp. оказалась эффективной. ^[6] Одним из преимуществ, заявленных для S. cerevisiae , сконструированных с помощью 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 шага может быть полезным для эффективности ферментации в этанол. Изменения 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 шага поможет исправить уже очевидный дисбаланс между кофакторами НАД(Ф)Н и НАД+ и уменьшить образование побочного продукта ксилита.

Другой эксперимент, сравнивающий два пути метаболизма D-ксилозы, показал, что путь XI лучше всего подходит для метаболизма D-ксилозы с получением наибольшего выхода этанола, в то время как путь XR-XDH достигает гораздо более высокой скорости производства этанола . ^[8]

Повышенная экспрессия четырех генов, кодирующих ферменты неокислительного пентозофосфатного пути: трансальдолазу , транскетолазу , рибулозо-5-фосфатэпимеразу и рибозо-5-фосфаткетол-изомеразу ^[9], привела к более высокой скорости ферментации как D-ксилулозы ^[10] , так и D-ксилозы ^[11] .

Целью этой генетической рекомбинации в лаборатории является разработка штамма дрожжей , который эффективно производит этанол. Однако эффективность лабораторных штаммов, метаболизирующих D-ксилозу, не всегда отражает их метаболические способности на сырых продуктах ксилозы в природе. Поскольку D-ксилоза в основном выделяется из сельскохозяйственных отходов, таких как древесные запасы, то нативные или генетически измененные дрожжи должны будут эффективно метаболизировать эти менее чистые природные источники.

В лабораторных условиях были протестированы различные уровни экспрессии ферментов XR и XDH в попытке оптимизировать эффективность пути метаболизма D-ксилозы. ^[12]

Ссылки

^ Hochster, RM; Watson, RW (1954-01-01). «Ферментативная изомеризация d-ксилозы в d-ксилулозу». Архивы биохимии и биофизики . 48 (1): 120– 129. doi :10.1016/0003-9861(54)90313-6. ISSN 0003-9861. PMID 13125579.
^ Weimberg, R. (1961). «Окисление пентозы Pseudomonas fragi». J. Biol. Chem . 236 (3): 629– 636. doi : 10.1016/S0021-9258(18)64279-6 . PMID 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.
^ Dahms AS (1974). «Альдолаза 3-дезокси-D-пентулозоновой кислоты и ее роль в новом пути деградации D-ксилозы». Biochem Biophys Res Commun . 60 (4): 1433– 1439. doi :10.1016/0006-291X(74)90358-1. PMID 4423285.
^ Элиассон А, Кристенссон С, Вальбом КФ, Хан-Хегердаль Б (август 2000 г.). «Анаэробная ферментация ксилозы рекомбинантными Saccharomyces cerevisiae, несущими XYL1, XYL2 и XKS1 в хемостатных культурах на минеральной среде». Appl. Environ. Microbiol . 66 (8): 3381– 6. Bibcode : 2000ApEnM..66.3381E. doi : 10.1128/aem.66.8.3381-3386.2000. PMC 92159. PMID 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 . doi : 10.1016/S1567-1356(03)00141-7 . ПМИД 14554198.
^ Jeppsson, Marie; Johansson, Björn; Hahn-HäGerdal, BäRbel; Gorwa-Grauslund, Marie F. (2002). «Снижение потока окислительного пентозофосфатного пути в рекомбинантных штаммах Saccharomyces cerevisiae, использующих ксилозу, улучшает выход этанола из ксилозы». Applied and Environmental Microbiology . 68 (4): 1604– 9. Bibcode :2002ApEnM..68.1604J. doi :10.1128/AEM.68.4.1604-1609.2002. PMC 123863 . PMID 11916674.
^ Кархумаа, Кайса; Санчес, Роза Гарсия; Хан-Хегердаль, Бербель; Горва-Грауслунд, Мари-Ф (2007). "Сравнение путей ксилозоредуктазы-ксилитолдегидрогеназы и ксилозоизомеразы для ферментации ксилозы рекомбинантными Saccharomyces cerevisiae". Microbial Cell Factories . 6 : 5. doi : 10.1186/1475-2859-6-5 . PMC 1797182. PMID 17280608.
^ Йоханссон Б, Хан-Хегердаль Б (февраль 2002 г.). «Сверхпродукция ферментов пентозофосфатного пути с использованием нового вектора экспрессии CRE-loxP для повторной геномной интеграции в Saccharomyces cerevisiae». Дрожжи . 19 (3): 225– 31. doi : 10.1002/yea.833 . PMID 11816030. S2CID 21113541.
^ Йоханссон Б, Хан-Хегердаль Б (август 2002 г.). «Неокислительный пентозофосфатный путь контролирует скорость ферментации ксилулозы, но не ксилозы в Saccharomyces cerevisiae TMB3001». FEMS Yeast Res . 2 (3): 277– 82. doi :10.1111/j.1567-1364.2002.tb00095.x. PMID 12702276.
^ Karhumaa K, Hahn-Hägerdal B, Gorwa-Grauslund MF (апрель 2005 г.). «Исследование ограничивающих метаболических этапов в использовании ксилозы рекомбинантными Saccharomyces cerevisiae с использованием метаболической инженерии». Дрожжи . 22 (5): 359–68 . doi : 10.1002/yea.1216 . PMID 15806613. S2CID 19700795.
^ Walfridsson M, Anderlund M, Bao X, Hahn-Hägerdal B (август 1997 г.). «Экспрессия различных уровней ферментов из генов XYL1 и XYL2 Pichia stipitis в Saccharomyces cerevisiae и ее влияние на образование продукта во время использования ксилозы». Appl. Microbiol. Biotechnol . 48 (2): 218– 24. doi :10.1007/s002530051041. PMID 9299780. S2CID 19491471.

[1] Hochster, RM; Watson, RW (1954-01-01). «Ферментативная изомеризация d-ксилозы в d-ксилулозу». Архивы биохимии и биофизики . 48 (1): 120– 129. doi :10.1016/0003-9861(54)90313-6. ISSN 0003-9861. PMID 13125579.

[2] Weimberg, R. (1961). «Окисление пентозы Pseudomonas fragi». J. Biol. Chem . 236 (3): 629– 636. doi : 10.1016/S0021-9258(18)64279-6 . PMID 13783864.

[3] 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.

[4] Dahms AS (1974). «Альдолаза 3-дезокси-D-пентулозоновой кислоты и ее роль в новом пути деградации D-ксилозы». Biochem Biophys Res Commun . 60 (4): 1433– 1439. doi :10.1016/0006-291X(74)90358-1. PMID 4423285.

[pmid10919795-5] Элиассон А, Кристенссон С, Вальбом КФ, Хан-Хегердаль Б (август 2000 г.). «Анаэробная ферментация ксилозы рекомбинантными Saccharomyces cerevisiae, несущими XYL1, XYL2 и XKS1 в хемостатных культурах на минеральной среде». Appl. Environ. Microbiol . 66 (8): 3381– 6. Bibcode : 2000ApEnM..66.3381E. doi : 10.1128/aem.66.8.3381-3386.2000. PMC 92159. PMID 10919795 .

[6] 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 . doi : 10.1016/S1567-1356(03)00141-7 . ПМИД 14554198.

[7] Jeppsson, Marie; Johansson, Björn; Hahn-HäGerdal, BäRbel; Gorwa-Grauslund, Marie F. (2002). «Снижение потока окислительного пентозофосфатного пути в рекомбинантных штаммах Saccharomyces cerevisiae, использующих ксилозу, улучшает выход этанола из ксилозы». Applied and Environmental Microbiology . 68 (4): 1604– 9. Bibcode :2002ApEnM..68.1604J. doi :10.1128/AEM.68.4.1604-1609.2002. PMC 123863 . PMID 11916674.

[8] Кархумаа, Кайса; Санчес, Роза Гарсия; Хан-Хегердаль, Бербель; Горва-Грауслунд, Мари-Ф (2007). "Сравнение путей ксилозоредуктазы-ксилитолдегидрогеназы и ксилозоизомеразы для ферментации ксилозы рекомбинантными Saccharomyces cerevisiae". Microbial Cell Factories . 6 : 5. doi : 10.1186/1475-2859-6-5 . PMC 1797182. PMID 17280608.

[9] Йоханссон Б, Хан-Хегердаль Б (февраль 2002 г.). «Сверхпродукция ферментов пентозофосфатного пути с использованием нового вектора экспрессии CRE-loxP для повторной геномной интеграции в Saccharomyces cerevisiae». Дрожжи . 19 (3): 225– 31. doi : 10.1002/yea.833 . PMID 11816030. S2CID 21113541.

[10] Йоханссон Б, Хан-Хегердаль Б (август 2002 г.). «Неокислительный пентозофосфатный путь контролирует скорость ферментации ксилулозы, но не ксилозы в Saccharomyces cerevisiae TMB3001». FEMS Yeast Res . 2 (3): 277– 82. doi :10.1111/j.1567-1364.2002.tb00095.x. PMID 12702276.

[11] Karhumaa K, Hahn-Hägerdal B, Gorwa-Grauslund MF (апрель 2005 г.). «Исследование ограничивающих метаболических этапов в использовании ксилозы рекомбинантными Saccharomyces cerevisiae с использованием метаболической инженерии». Дрожжи . 22 (5): 359–68 . doi : 10.1002/yea.1216 . PMID 15806613. S2CID 19700795.

[12] Walfridsson M, Anderlund M, Bao X, Hahn-Hägerdal B (август 1997 г.). «Экспрессия различных уровней ферментов из генов XYL1 и XYL2 Pichia stipitis в Saccharomyces cerevisiae и ее влияние на образование продукта во время использования ксилозы». Appl. Microbiol. Biotechnol . 48 (2): 218– 24. doi :10.1007/s002530051041. PMID 9299780. S2CID 19491471.