Сверхсинтез α-ацетолактата из глюкозы у продуцента диацетила Lactococcus lactis ssp. lactis bv. diacetylactis В2103 — природного мутанта, лишенного α-ацетолактатдекарбоксилазы

Автор: В.М. Серебренников, Л.Н. Котова, А.В. Глазунов

Страница: 24-38

Сверхсинтез α-ацетолактата из глюкозы у продуцента диацетила Lactococcus lactis ssp. lactis bv. diacetylactis В2103 — природного мутанта, лишенного α-ацетолактатдекарбоксилазы

Биотехнология, 2013, № 4, С. 24-38

УДК 577.151.52.547.442

Раздел:  «Продуценты, биология, селекция, генетическая инженерия»

В.М. Серебренников,  Л.Н. Котова,  А.В. Глазунов ^*

ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов» (ГосНИИгенетика), Москва, 117545

e-mail:  glasunov@genetika.ru

Исследовали влияние скорости поступления  кислорода в среду на активность путей метаболизма пирувата с образованием конечных продуктов (лактатдегидрогеназный (ЛДГ), пируватформиатлиазный (ПФЛ), пируватдегидрогеназный (ПДГ) и ацетолактатсинтазный (АЛС) пути) у молочнокислого лактококка Lactococcus lactis ssp. lactis bv. diacetylactis В2103/74. Обнаружено, что эта культура помимо отсутствия α-ацетолактатдекарбоксилазы обладает еще одной уникальной природной особенностью — способностью к сверхсинтезу α-ацетолактата (АЛ) (25—28 мМ). Поиск аналогичных штаммов у штаммов биоварианта diacetylactis показал, что это явление достаточно редкое; найдена только одна культура (ВКПМ 7590) с такой же способностью, но имеющая активную α-ацетолактатдекарбоксилазу и по этой причине в отличие от штамма 2103/74 образующая только ацетоин. Сверхсинтез АЛ наблюдался в условиях интенсивной аэрации (К_Lа ≥ 90—120 ч^–1); при этом решающую роль играл состав среды. Показано, что в основе сверхсинтеза лежит мощное переключение части потока пирувата с ЛДГ-пути на ПДГ- и АЛС-пути, причем из-за ограниченной «пропускной способности» ПДГ-пути весь метаболизм дополнительного пирувата из ЛДГ-пути, минуя ПДГ-путь, протекал исключительно через АЛС-путь. Сдвиг метаболизма пирувата от ЛДГ- к ПДГ- и АЛС-путям в культуре биоварианта diacetylactis связан с инициированием оксидазной реакции, восстанавливающей О₂ до Н₂О и перехватывающей для этой цели NADH у ЛДГ. Специфическое проявление этой реакции у культур штаммов 2103/74 и 7590, которое привело к глубокой перестройке всего метаболизма пирувата в пользу α-ацетолактата, обязано своим возникновением суперактивной оксидазной системе, переключающей  75—80% потока NADH от ЛДГ на оксидазный путь регенерации NAD⁺. Природа этой супероксидазной системы неизвестна. Предполагается, что по своей структуре она может быть близкой к простейшей электронтранспортной цепи, встроенной в мембрану.

Ключевые слова:  ацетоин,  α-ацетолактат,  диацетил,  молочнокислые бактерии,  NADH-оксидаза.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

α-Acetolactate Oversynthesis from Glucose in a Diacetyl Producer Lactococcus lactis ssp. lactis bv. diacetylactis B2103, a Natural Mutant Deprived of α-Acetolactate Decarboxylase

V.M. Serebrennikov,  L.N. Kotova,  and  A.V. Glazunov ^*

The State Research Institute for Genetics and Selection of Industrial Microorganisms, 117545, Moscow Russia

e-mail:  glasunov@genetika.ru

The effect of oxygen supply rate on the activity of pyruvate metabolic pathways and their end products (lactate-dehydrogenase (LDH), pyruvate-formate-lyase (PFL), pyruvate-dehydrogenase (PDH) and acetolactate-synthase (ALS) pathways) in Lactococcus lactis ssp. lactis bv. diacetylactis B2103/74 strain has been investigated. In was found out that this culture, apart from inactivated α-acetolactate decarboxylase, possesses a unique natural capacity of oversynthesizing α-acetolactate (AL) up to 25—28 mM. The search for analogous strains in the diacetilicus bv. showed that this evidence is relatively infrequent; only one culture (VKPM 7590) was shown to have the same capacity. However, unlike the B2103/74 strain, the 7590 culture has an active α-acetolactate decarboxylase, and therefore, it is only able to produce acetoin. The oversynthesis of AL was observed at intense aeration (K_La ≥90—120 h^–1); medium composition played a decisive role in the process. It was shown that a powerful shift of a part of the pyruvate flow from the LDH- to PDH- and ALS-pathway underlies the evidence of LA oversynthesis, and due a restricted throughout capacity of the PDH-pathway, all the metabolism of the additional pyruvate supplied from the LDH-pathway proceeded exclusively through the ALS- avoiding the PDH-pathway. The shift of the pyruvate metabolism from the LDH- to PDH- and ALS-pathways  in the B2103/74 culture is associated with the initiation of the oxidase reaction that reduces oxygen to H₂O and therefore overshoots for this purpose NADH from LDH. The specific manifestation of this reaction in the B2103/74 and 7590 cultures that resulted in a deep rearrangement of all pyruvate metabolism for the production of α-acetolactate is owing to the occurrence of a superactive oxidase system that shifts 75—80% of the NADH flow from LDH to the oxidase pathway for NAD⁺ regeneration. The origin of this superoxidase system is unknown. It is suggested that it can be close in structure to a simplest membrane-built electron-transport chain.

Key words:  acetoin,  α-acetolactate,  diacetyl,  lacticacid bacteria,  NADH-oxidase.

18.12.2013, 3788 просмотров.