大腸菌の中心代謝の反応とホスホグルコースイソメラーゼおよびグルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼノックアウトへの反応

ホスホグルコースイソメラーゼおよびグルコース-6-リン酸（G6P）デヒドロゲナーゼ遺伝子のノックアウト変異に対する大腸菌中央炭素代謝の反応を、グルコースおよびアンモニア制限化学造化物を使用して調査しました。野生型およびノックアウト変異体における代謝ネットワーク構造と細胞内炭素フラックスは、フラックス比分析の相補的な方法と[U-（13）C]グルコース標識と2次元核磁気共鳴（NMR）細胞アミノ酸、およびグルコースの分光鏡検査に基づく代謝フラックス分析を使用して特徴付けられました。ホスホグルコースイソメラーゼの破壊は、グルコース異化の主要な経路としてのペントースリン酸経路の使用をもたらし、フラックスは、G6Pデヒドロゲナーゼの欠陥を補償するペントースリン酸塩経路のエンブデンマイアーホフパルナス経路と酸化枝を介して再登録します。さらに、ノックアウト変異に対する追加の予期しないフラックス応答が観察されました。最も顕著なのは、グリオキシレートシャントがホスホグルコースイソメラーゼ欠損大腸菌で活性であることがわかった。Entner-Doudoroff経路は、この変異株におけるグルコース異化のわずかな割合にも寄与しました。さらに、G6Pデヒドロゲナーゼのノックアウトは、グルコース制限条件下での中心代謝に有意な影響を与えませんでしたが、この突然変異は、広範なオーバーフロー代謝とアンモニア制限条件下での非常に低いトリカルボン酸サイクルフラックスをもたらしました。

The responses of Escherichia coli central carbon metabolism to knockout mutations in phosphoglucose isomerase and glucose-6-phosphate (G6P) dehydrogenase genes were investigated by using glucose- and ammonia-limited chemostats. The metabolic network structures and intracellular carbon fluxes in the wild type and in the knockout mutants were characterized by using the complementary methods of flux ratio analysis and metabolic flux analysis based on [U-(13)C]glucose labeling and two-dimensional nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy of cellular amino acids, glycerol, and glucose. Disruption of phosphoglucose isomerase resulted in use of the pentose phosphate pathway as the primary route of glucose catabolism, while flux rerouting via the Embden-Meyerhof-Parnas pathway and the nonoxidative branch of the pentose phosphate pathway compensated for the G6P dehydrogenase deficiency. Furthermore, additional, unexpected flux responses to the knockout mutations were observed. Most prominently, the glyoxylate shunt was found to be active in phosphoglucose isomerase-deficient E. coli. The Entner-Doudoroff pathway also contributed to a minor fraction of the glucose catabolism in this mutant strain. Moreover, although knockout of G6P dehydrogenase had no significant influence on the central metabolism under glucose-limited conditions, this mutation resulted in extensive overflow metabolism and extremely low tricarboxylic acid cycle fluxes under ammonia limitation conditions.