Acetogenes är en biokemisk process som resulterar i bildandet av ättiksyra (acetat) från koldioxid och en elektrondonator (till exempel molekylärt väte , kolmonoxid , myrsyra (formiat) ). Denna process används av anaeroba organismer i sekvensen av biokemiska reaktioner av den reduktiva acetyl-CoA-vägen (Wood-Ljungdahl-vägen). En grupp av olika typer av bakterier som är kapabla till acetogenes kallas acetogener . Vissa acetogener är kapabla att autotrofiskt syntetisera acetat från koldioxid och väte [1] . Den totala reaktionen av autotrofisk acetatsyntes:
ΔG°'= -95 kJ/molProcessen att erhålla acetat av heterotrofa acetogener från kolhydrater (till exempel glukos) kallas homoacetatfermentering :
1932 upptäcktes organismer som kan omvandla molekylärt väte och koldioxid till ättiksyra . Den första arten av acetogena bakterier, Clostridium aceticum , upptäcktes 1936 av Klas Tammo Wieringa ( holländska. Klaas Tammo Wieringa , 1891-1980). Den andra arten, Moorella thermoacetica , har väckt stort intresse för sin förmåga att omvandla glukos till 3 molekyler ättiksyra [2] .
Autotrofisk koldioxidfixering är utbredd bland acetogena anaeroba bakterier som Acetobacterium woodii , Clostridium aceticum , Moorella thermothermoacetica och Moorella thermoautotrophica [3] . Reducerande ekvivalenter för dessa reaktioner erhålls genom inverkan av hydrogenaser på H 2 [4] [5] . Acetobacterium woodii har [FeFe]-typ cytoplasmatiskt hydrogenas [6] . Tioestern är acetyl-CoA , bildad i sekvensen av reaktioner från Wood-Ljungdahl-vägen [7] :
som ett resultat av två på varandra följande reaktioner förvandlas det till acetat:
Acetyl-CoA + Pi → CoA + acetylfosfat Acetylfosfat + ADP → CH3COOH + ATP, ΔG ° = -12,9 kJ/molI den första reaktionen, katalyserad av fosfatacetyltransferas(EC 2.3.1.8), acetylfosfat [8] erhålls . Andra reaktionen katalyserad av acetatkinas(EC 2.7.2.1), leder till bildandet av ATP från ADP. Eftersom den bildade ATP-molekylen förbrukas i de första stadierna av Wood-Ljungdal-vägen leder den totala reaktionen inte till bildandet av ATP. ATP bildas på grund av natriummembranpotentialen [9] i Acetobacterium woodii . Detta är inte sant för alla acetogener. Clostridium aceticum och Moorella thermoautotrophica innehåller cytokromer och verkar generera en protongradient istället för en natriumjongradient [10] .
CO 2 är den slutliga elektronacceptorn under tillväxten av acetogener. Tillväxt på reducerade (med en låg grad av koloxidation) enkolssubstrat beror strikt på tillgängligheten av exogen CO 2 i miljön . Ytterligare mängder CO 2 krävs för att regenerera de reducerade elektronbärarna, och denna regenerering måste ske innan substrat-härledd CO 2 blir tillgänglig via pyruvatdekarboxylering.
Tillväxt med kolmonoxidUnder tillväxt på CO, vars övergripande reaktion kan beskrivas som:
4CO + 2H 2 O -> CH 3 COOH + 2 CO 2exogen CO 2 krävs trots att processen genererar ett överskott av CO 2 [11] .
CO-dehydrogenaskomplexet i sådana acetogena bakterier som Acetobacterium woodii och Moorella thermoacetica kan syntetisera acetyl-CoA från metyltetrahydrofolat och CO [12] [13] [14] [15] .
Tillväxt med metanolTillväxten av acetogenerna Moorella thermoacetica och Clostridium formicoaceticum på metanol sker inte utan tillsats av CO 2 [16] [17] .
Glukos i det första steget omvandlas till två pyruvatmolekyler genom en sekvens av glykolysreaktioner :
glukos + 2 NAD + + 2 ADP + 2 Pi → 2 pyruvat + 2NADH + 2 H + + 2 ATP + 2 H2OI detta skede erhålls 2 ATP-molekyler genom mekanismen för substratfosforylering .
Pyruvat oxideras sedan och dekarboxyleras till acetyl-CoA, CO2 och 4 reducerande ekvivalenter ( ferredoxin ), pyruvat:ferredoxinoxidoreduktas:
pyruvat + KoA + Fd acetyl - CoA-oxid + CO2 + Fd reducerad2 molekyler acetyl-CoA, erhållna från pyruvat, omvandlas till två acetatmolekyler:
acetyl-CoA + Pi → CoA + acetylfosfatDenna process producerar ytterligare ATP genom en substratfosforyleringsmekanism. Åtta reducerande ekvivalenter erhållna genom glykolys och oxidativ dekarboxylering av pyruvat används sedan i Wood-Ljungdal-vägen för att reducera två CO 2 -molekyler till en ytterligare (tredje) acetatmolekyl.
Total reaktion:
C6H12O6 → 3 CH3COOH + 4ATP _ _ _CO 2 -molekylen som reduceras av Wood-Ljungdal-vägen kommer huvudsakligen från en extern källa och inte från CO 2 -molekylen som bildas i pyruvatdekarboxyleringsreaktionen. I detta avseende är det viktigt att ytterligare tillsätta CO 2 (eller karbonater) till odlingsmediet när man odlar acetogener i laboratoriet. Denna teknik visar sig inte vara uppenbar, eftersom den inte indikeras av stökiometrin för metaboliska reaktioner. Till exempel indikerar den stökiometriska omvandlingen av sockerarter (t.ex. glukos eller fruktos till acetat (se ovan) att CO 2 inte krävs för acetogenes. Tillväxt på sockerarter kan försämras avsevärt i frånvaro av ytterligare CO 2 [18] [19] [ 20] .
Den unika metabolismen av acetogener har biotekniska tillämpningar. Vid fermentering av kolhydrater resulterar dekarboxyleringsreaktioner i förlust av kol i form av koldioxid . Denna förlust är ett problem eftersom det finns en ökad efterfrågan på att minimera CO 2 -utsläppen och behovet av biobränsleproduktion för att framgångsrikt konkurrera med fossila bränslen på monetär basis. Acetogener kan fermentera glukos utan att bilda CO 2 och omvandla det med bildning av 3 molekyler acetat, vilket leder till en ökning av det teoretiska utbytet av produkten upp till 50 %. Acetogener ersätter inte glykolys med en annan metabolisk väg, utan inkluderar CO 2 som bildas under glykolys i processen för acetogenes [21] .