Amino Acid and Related Catabolism of Thermoanaerobacter Species

Abstract

The protein and amino acid metabolism of thermophilic bacteria has been a neglected aspect of their physiology despite its biotechnological potential. Under anaerobic conditions, the metabolism of many proteogenic amino acids requires the presence of an electron scavenging system in order to effectively remove reducing equivalences and make the overall reaction thermodynamically favorable. Thermoanaerobacter and Caldanaerobacter strains cultivated on branched-chain amino acids (BCAAs) in the presence of a methanogen or thiosulfate resulted in production of their corresponding branched-chain fatty acid (BCFA) or a mixture including the BCFA and the corresponding branched-chain alcohol (BCOH), respectively. Thus, these electron scavenging systems reveal a difference in the electron flow resulting in different fermentation products. Studies involving the entire genus showed differences in amino acid utilization patterns and the degree to which strains are proteolytic, although the inherent ability to degrade BCAAs to their corresponding BCFA and BCOH appears to be a universal feature. However, the ratio of BCOH/BCFA varies widely. Initially, the pathway responsible for BCOH formation was unclear; subsequent investigations using 13C-labeled BCAAs, as well as exogenously added fatty acids (e.g. acetate, 3-methyl-1-butyrate) demonstrated that some Thermoanaerobacter and Caldanaerobacter strains could use the fatty acids as electron acceptors and convert them to their corresponding alcohols. Subsequent work demonstrated that Thermoanaerobacter pseudoethanolicus and Thermoanaerobacter strain AK85 are useful agents for the biotransformation of C2-C6 fatty acids to their corresponding alcohols in the presence of an electron donor.

Sá hluti lífeðlisfræði hitakærra baktería sem snýr að prótein- og amínósýruefnaskiptum hefur að mestu verið vanræktur í gegnum tíðina þrátt fyrir möguleika sem í þeim felast á sviði líftækni. Við loftfirrðar aðstæður krefjast margar próteinmyndandi amínósýrur utanaðkomandi rafeindaþega til þess að úr verði orkufræðilega hagstæðar aðstæður fyrir niðurbrotið. Thermoanaerobacter og Caldanaerobacter stofnar sem ræktaðir voru á greinóttum amínósýrum (e. BCAAs) ýmist í viðurvist metanframleiðanda eða þíósúlfats framleiddu annars vegar samsvarandi greinóttar fitusýrur (e. BCFA) og hins vegar blöndu af greinóttum fitusýrum og samsvarandi greinóttum alkóhólum (e. BCOH). Þessi rafeindaþegakerfi sýna mun á rafeindaflæði sem leiðir af sér framleiðslu mismunandi lokaafurða. Rannsóknir sem framkvæmdar voru á ættkvíslinni leiddu í ljós mun á niðurbrotsmynstri amínósýra og vörpuðu ljósi á að hvaða leyti stofnarnir eru prótínsundrandi þó svo að hæfnin til að brjóta niður greinóttar amínósýrur og mynda úr þeim greinóttar fitusýrur og alkóhól virðist gilda um þá alla. Hlutföllin milli framleiddra greinóttra alkóhóla og fitusýra eru hins vegar mjög breytileg. Upphaflega var BCOH framleiðsluferlið óljóst en með notkun 13C-merktra greinóttra amínósýra og viðbættra fitusýra (t.d. asetats, 3-metýl-1-bútýrats) var hægt að sýna fram á hæfni sumra Thermoanaerobacter og Caldanaerobacter stofna til þess að nýta fitusýrurnar sem elektrónuþega og breyta þeim í samsvarandi alkóhól. Rannsóknir sýndu einnig að Thermoanaerobacter pseudoethanolicus og Thermoanaerobacter stofn AK85 megi nýta til lífummyndunar á C2-C6 fitusýrum í samsvarandi alkóhólsambönd í viðurvist rafeindagjafa.