Gemischte Säuregärung - Mixed acid fermentation
Die gemischte Säurefermentation ist der biologische Prozess, bei dem ein Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen, zB Glukose , in ein komplexes und variables Säuregemisch umgewandelt wird. Es ist eine anaerobe Fermentationsreaktion , die bei Bakterien üblich ist. Es ist charakteristisch für Mitglieder der Enterobacteriaceae , einer großen Familie gramnegativer Bakterien , zu denen E. coli gehört .
Das Endproduktgemisch der Säuremischfermentation umfasst Lactat , Acetat , Succinat , Formiat , Ethanol und die Gase H 2 und CO 2 . Die Bildung dieser Endprodukte hängt von der Anwesenheit bestimmter Schlüsselenzyme in dem Bakterium. Der Anteil, in dem sie gebildet werden, variiert zwischen verschiedenen Bakterienarten. Der gemischte Säurefermentationsweg unterscheidet sich von anderen Fermentationswegen, die weniger Endprodukte in festen Mengen produzieren. Die Endprodukte der gemischten Säurefermentation können viele nützliche Anwendungen in der Biotechnologie und in der Industrie haben . Ethanol wird beispielsweise häufig als Biokraftstoff verwendet . Daher wurden im Labor mehrere Bakterienstämme metabolisch verändert , um die individuellen Ausbeuten bestimmter Endprodukte zu erhöhen . Diese Forschung wurde hauptsächlich in E. coli durchgeführt und ist im Gange.
Gemischte Säuregärung in E. coli
E. coli nutzen Fermentationswege als letzte Möglichkeit des Energiestoffwechsels, da sie im Vergleich zur Atmung sehr wenig Energie produzieren. Die gemischte Säurefermentation in E. coli erfolgt in zwei Stufen. Diese Stadien werden von der biologischen Datenbank für E. coli , EcoCyc, skizziert .
Die erste dieser beiden Stufen ist eine Glykolysereaktion . Unter anaeroben Bedingungen findet eine Glykolysereaktion statt, bei der Glucose in Pyruvat umgewandelt wird :
Glukose → 2 Pyruvat
Es gibt eine Nettoproduktion von 2 ATP- und 2 NADH- Molekülen pro umgewandeltem Glucosemolekül. ATP wird durch Phosphorylierung auf Substratebene erzeugt . NADH entsteht aus der Reduktion von NAD.
In der zweiten Stufe wird das durch Glykolyse hergestellte Pyruvat über folgende Reaktionen in ein oder mehrere Endprodukte umgewandelt. In jedem Fall werden beide durch die Glykolyse erzeugten NADH-Moleküle zu NAD + reoxidiert . Jeder alternative Weg erfordert ein anderes Schlüsselenzym in E. coli . Nachdem die unterschiedlichen Mengen unterschiedlicher Endprodukte durch diese Wege gebildet wurden, werden sie aus der Zelle sezerniert.
Laktatbildung
Durch Glykolyse hergestelltes Pyruvat wird in Laktat umgewandelt . Diese Reaktion wird durch das Enzym Lactatdehydrogenase (LDHA) katalysiert .
Pyruvat + NADH + H + → Laktat + NAD +
Acetatbildung
Pyruvat wird durch das Enzym Pyruvat-Dehydrogenase in Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) umgewandelt . Dieses Acetyl-CoA wird dann in E. coli in Acetat umgewandelt , während ATP durch Phosphorylierung auf Substratebene produziert wird . Die Acetatbildung erfordert zwei Enzyme: Phosphatacetyltransferase und Acetatkinase.
Acetyl-CoA + Phosphat → Acetyl-Phosphat + CoA
Acetylphosphat + ADP → Acetat + ATP
Ethanolbildung
Ethanol wird in E. coli durch die Reduktion von Acetyl-Coenzym A mit NADH gebildet. Diese zweistufige Reaktion erfordert das Enzym Alkoholdehydrogenase (ADHE).
Acetyl-CoA + NADH + H + → Acetaldehyd + NAD + + CoA
Acetaldehyd + NADH + H + → Ethanol + NAD +
Formiatbildung
Formiat entsteht durch die Spaltung von Pyruvat. Diese Reaktion wird durch das Enzym Pyruvat-Formiat-Lyase (PFL) katalysiert , das eine wichtige Rolle bei der Regulierung der anaeroben Fermentation in E. coli spielt .
Pyruvat + CoA → Acetyl-CoA + Formiat
Succinatbildung
Succinat wird in E. coli in mehreren Schritten gebildet.
Phosphoenolpyruvat (PEP), ein Glykolyse Stoffwechselweg Zwischen wird carboxyliert durch das Enzym PEP - Carboxylase zu bilden Oxalacetat . Anschließend erfolgt die Umwandlung von Oxalacetat in Malat durch das Enzym Malat-Dehydrogenase . Fumarathydratase katalysiert dann die Dehydratisierung von Malat, um Fumarat zu produzieren .
Phosphoenolpyruvat + HCO 3 → Oxalacetat + Phosphat
Oxalacetat + NADH + H + → Malat + NAD +
Malat → Fumarat + H 2 O
Die letzte Reaktion bei der Bildung von Succinat ist die Reduktion von Fumarat. Es wird durch das Enzym Fumarat-Reduktase katalysiert .
Fumarat + NADH + H + → Succinat + NAD +
Diese Reduktion ist eine anaerobe Atmungsreaktion in E. coli , da sie Elektronen nutzt, die mit der NADH-Dehydrogenase und der Elektronentransportkette verbunden sind . ATP wird unter Verwendung eines elektrochemischen Gradienten und ATP-Synthase erzeugt . Dies ist der einzige Fall im gemischten Säurefermentationsweg, bei dem ATP nicht durch Phosphorylierung auf Substratebene produziert wird.
Vitamin K 2 , auch als Menachinon bekannt, ist in E. coli für den Elektronentransport zum Fumarat sehr wichtig .
Wasserstoff- und Kohlendioxidbildung
Formiat kann in E. coli in Wasserstoffgas und Kohlendioxid umgewandelt werden . Diese Reaktion erfordert das Enzym Formiat-Wasserstoff-Lyase . Es kann verwendet werden, um zu verhindern, dass die Bedingungen in der Zelle zu sauer werden.
Formiat → H 2 und CO 2
Methylrot-Test
Der Methylrot (MR)-Test kann nachweisen, ob der gemischte Säurefermentationsweg in Mikroben auftritt, wenn Glukose verabreicht wird. Es wird ein pH-Indikator verwendet, der die Testlösung rot färbt, wenn der pH-Wert unter 4,4 sinkt. Wenn der Fermentationsweg stattgefunden hat, wird die Lösung durch das entstandene Säuregemisch sehr sauer und verursacht einen roten Farbumschlag.
Der Methylrot-Test gehört zu einer Gruppe, die als IMViC- Tests bekannt ist.
Stoffwechseltechnik
Mehrere Bakterienstämme wurden metabolisch verändert , um die individuellen Ausbeuten an Endprodukten zu erhöhen, die durch gemischte Säurefermentation gebildet wurden. Aufgrund der Nützlichkeit dieser Produkte in der Biotechnologie wurden zum Beispiel Stämme für die erhöhte Produktion von Ethanol, Lactat, Succinat und Acetat entwickelt . Der wichtigste limitierende Faktor für diese Technik ist die Notwendigkeit, ein Redox- Gleichgewicht in dem durch den Fermentationsweg produzierten Säuregemisch aufrechtzuerhalten .
Für die Ethanolproduktion
Ethanol ist der am häufigsten verwendete Biokraftstoff und kann in großem Maßstab durch Fermentation hergestellt werden. Die maximale theoretische Ausbeute für die Herstellung von Ethanol wurde etwa 20 Jahre lang erreicht. Ein Plasmid, das die Pyruvat-Decarboxylase- und Alkohol-Dehydrogenase-Gene des Bakteriums Z. mobilis trägt, wurde von Wissenschaftlern verwendet. Dieses wurde in E. coli inseriert und führte zu einer erhöhten Ethanolausbeute. Das Genom dieses E. coli- Stammes, KO11, wurde in jüngerer Zeit sequenziert und kartiert.
Zur Acetatherstellung
Der E. coli- Stamm W3110 wurde gentechnisch verändert , um 2 Mol Acetat pro 1 Mol Glukose zu erzeugen, die einer Fermentation unterzogen wird. Dies ist als Homoacetat-Weg bekannt.
Zur Laktatproduktion
Aus Laktat kann ein Biokunststoff namens Polymilchsäure (PLA) hergestellt werden. Die Eigenschaften von PLA hängen vom Verhältnis der beiden optischen Isomere von Lactat (D-Lactat und L-Lactat) ab. D-Lactat wird durch gemischte Säurefermentation in E. coli hergestellt . Frühe Experimente haben den E. coli- Stamm RR1 so konstruiert , dass er eines der beiden optischen Isomere von Laktat produziert.
Spätere Experimente modifizierten den E. coli- Stamm KO11, der ursprünglich entwickelt wurde, um die Ethanolproduktion zu steigern. Wissenschaftler konnten die Ausbeute an D-Lactat aus der Fermentation durch mehrere Deletionen erhöhen .
Für die Succinat-Produktion
Die Erhöhung der Succinatausbeute aus der gemischten Säurefermentation erfolgte zunächst durch Überexpression des Enzyms PEP-Carboxylase . Dies erzeugte eine Succinatausbeute, die ungefähr dreimal höher war als normal. Es folgten mehrere Experimente mit einem ähnlichen Ansatz.
Alternative Ansätze haben das Redox- und ATP- Gleichgewicht verändert, um die Succinatausbeute zu optimieren.
Verwandte Fermentationswege
Es gibt eine Reihe anderer Fermentationswege, die in Mikroben vorkommen. Alle diese Wege beginnen mit der Umwandlung von Pyruvat, aber ihre Endprodukte und die dafür benötigten Schlüsselenzyme sind unterschiedlich. Zu diesen Pfaden gehören:
- Ethanol-Fermentation
- Milchsäuregärung
- Propionsäure- Fermentation
- Butanol- Fermentation
- Butandiol-Fermentation