腸内細菌におけるグリセロールの嫌気性発酵のための新しいモデル：大腸菌の幹と補助経路

腸内細菌科におけるグリセロールの嫌気性発酵は、長い間、1,3-プロパンジオール（1,3-PDO）を合成する種のユニークな特性と考えられてきました。しかし、大腸菌はグリセロールを1,3-pDOに依存しない方法で発酵させることができることを発見しました。1,2-プロパンジオール（1,2-PDO）を発酵産物として特定し、グリセロールの代謝における合成とその役割を媒介する経路を確立しました。また、グリセロールの解糖中間体への変換の原因となる幹経路は、2つの酵素で構成されていることも示しました：II型グリセロールデヒドロゲナーゼ（グリド-II）とジヒドロキシアセトンキナーゼ（DHAK）、以前は未知の生理学的役割。調査結果に基づいて、腸内細菌におけるグリセロール発酵のための新しいモデルを提案します。（i）1,2-PDOの生産は、細胞質量の合成で生成された還元等価物を消費する手段を提供し、したがって酸化還元バランスを促進する手段を提供します。（ii）酸化還元バランス経路を介したグリセロールのエタノールへの変換は、基質レベルのリン酸化を介してATPを生成することにより、エネルギー要件を満たします。形成水素リアーゼとF（0）F（1）-ATPaseシステムの活性は、グリセロールの発酵代謝を促進することも発見され、エタノールおよび1,2-PDO経路とともに、補助または有効化と見なされました。大腸菌のグリセロール発酵は、前述の経路を損なう中程度の製剤と培養条件の使用により、以前は観察されなかったことを実証しました。これらには、高濃度のカリウムとリン酸塩、低濃度のグリセロール、アルカリ性pH、および水素ガスの蓄積を促進する閉じた栽培システムが含まれます。

Anaerobic fermentation of glycerol in the Enterobacteriaceae family has long been considered a unique property of species that synthesize 1,3-propanediol (1,3-PDO). However, we have discovered that Escherichia coli can ferment glycerol in a 1,3-PDO-independent manner. We identified 1,2-propanediol (1,2-PDO) as a fermentation product and established the pathway that mediates its synthesis as well as its role in the metabolism of glycerol. We also showed that the trunk pathway responsible for the conversion of glycerol into glycolytic intermediates is composed of two enzymes: a type II glycerol dehydrogenase (glyDH-II) and a dihydroxyacetone kinase (DHAK), the former of previously unknown physiological role. Based on our findings, we propose a new model for glycerol fermentation in enteric bacteria in which: (i) the production of 1,2-PDO provides a means to consume reducing equivalents generated in the synthesis of cell mass, thus facilitating redox balance, and (ii) the conversion of glycerol to ethanol, through a redox-balanced pathway, fulfills energy requirements by generating ATP via substrate-level phosphorylation. The activity of the formate hydrogen-lyase and F(0)F(1)-ATPase systems were also found to facilitate the fermentative metabolism of glycerol, and along with the ethanol and 1,2-PDO pathways, were considered auxiliary or enabling. We demonstrated that glycerol fermentation in E. coli was not previously observed due to the use of medium formulations and culture conditions that impair the aforementioned pathways. These include high concentrations of potassium and phosphate, low concentrations of glycerol, alkaline pH, and closed cultivation systems that promote the accumulation of hydrogen gas.