従属栄養性細菌におけるアルコール脱水素酵素遺伝子の発現は、オリゴトロフィック条件下で二酸化炭素依存性の高利回り成長を誘導します

Sphingobium japonicum strain ut26は、γ-ヘキサクロロシクロヘキサン分解能力が詳細に研究されていますが、成長のために有機炭素源を必要とする有機炭素源を必要とする典型的な有酸素性および従属栄養細菌であり、有機炭素源を加えることなく調製された最小限の塩寒天培地で成長することはできません。。ここでは、トランスポゾン誘発性変異体ライブラリーからこのような乏栄養培地で可視状態に成長する能力を持つUT26の変異体を分離しました。乏栄養条件（HYGO）の表現型でのこの高収量成長はCO2依存性であり、CO2の取り込みを伴いました。HYGO変異体では、トランスポゾンを推定Zn依存性アルコールデヒドロゲナーゼ（ADH）遺伝子（ADHX）のすぐ上流に挿入し、おそらくトランスポゾン由来のプロモーターによってADHX遺伝子が構成的に発現されました。構成的プロモーターの制御下でADHX遺伝子を運ぶプラスミドを抱えるADHX削除変異体（UT26DAX）は、Hygo表現型を示しました。さらに、Hygo変異体はUT26由来のハイパーミュースター株細胞の間で自然に出現し、ADHXはこれらのHyGo変異体で高度に発現しましたが、UT26DAX由来の過炎素株細胞の間ではHYGO変異体は現れませんでした。大腸菌で発現し、均一性に精製された彼のタグ付きADHXは、メタノールや他のアルコールに対するADH活性を示しました。ADHX遺伝子の突然変異誘発分析は、ADH活性とHYGO表現型との相関関係を示していました。これらの結果は、UT26におけるADH活性を伴うADHXエンコードタンパク質の構成的発現がCO2依存性HyGo表現型につながることを実証しました。同一またはほぼ同一のADHXオーソログが他のスフィンゴモナド株で見つかり、それらのほとんどはプラスミドに配置されており、ADHXを介したHYGO表現型は、スフィンゴモナド間のオリゴ栄養環境に対する重要な適応戦略である可能性があることを示唆しています。

Sphingobium japonicum strain UT26, whose γ-hexachlorocyclohexane-degrading ability has been studied in detail, is a typical aerobic and heterotrophic bacterium that needs organic carbon sources for its growth, and cannot grow on a minimal salt agar medium prepared without adding any organic carbon sources. Here, we isolated a mutant of UT26 with the ability to grow to visible state on such an oligotrophic medium from a transposon-induced mutant library. This high-yield growth under oligotrophic conditions (HYGO) phenotype was CO2-dependent and accompanied with CO2 incorporation. In the HYGO mutant, a transposon was inserted just upstream of the putative Zn-dependent alcohol dehydrogenase (ADH) gene (adhX) so that the adhX gene was constitutively expressed, probably by the transposon-derived promoter. The adhX-deletion mutant (UT26DAX) harbouring a plasmid carrying the adhX gene under the control of a constitutive promoter exhibited the HYGO phenotype. Moreover, the HYGO mutants spontaneously emerged among the UT26-derived hypermutator strain cells, and adhX was highly expressed in these HYGO mutants, while no HYGO mutant appeared among UT26DAX-derived hypermutator strain cells, indicating the necessity of adhX for the HYGO phenotype. His-tagged AdhX that was expressed in Escherichia coli and purified to homogeneity showed ADH activity towards methanol and other alcohols. Mutagenesis analysis of the adhX gene indicated a correlation between the ADH activity and the HYGO phenotype. These results demonstrated that the constitutive expression of an adhX-encoding protein with ADH activity in UT26 leads to the CO2-dependent HYGO phenotype. Identical or nearly identical adhX orthologues were found in other sphingomonad strains, and most of them were located on plasmids, suggesting that the adhX-mediated HYGO phenotype may be an important adaptation strategy to oligotrophic environments among sphingomonads.