戊糖双磷酸途径在 Thermococcus kodakarensis 菌株的核苷依赖性生长过程中发挥着核心代谢作用

《Applied and Environmental Microbiology》：Pentose bisphosphate pathway can act in central metabolism for nucleoside-dependent growth of Thermococcus kodakarensis strains

实验室适应性进化获得的Thermococcus kodakarensis突变株ALE22可在无S0或丙酮酸条件下利用核苷生长，其代谢依赖RuBisCO过表达及nupD突变增强的ABC转运蛋白，通过羧基化PBP途径将核苷分解为丙酮酸供能，并伴随CO2固定。基因组测序确认关键突变位点，揭示了该途径在高温古菌代谢灵活性中的重要性。

　　在高温极端环境中，某些微生物展现出独特的代谢适应能力，使其能够在缺乏传统营养物质的情况下生存和繁殖。本研究聚焦于一种名为*Thermococcus kodakarensis*的古菌，其通常需要硫元素（S?）或丙酮酸作为氨基酸代谢过程中氨基转移的受体，以维持其生长。然而，研究人员通过实验室适应性进化技术，成功分离出一个能够不依赖S?和丙酮酸而在富含营养的培养基中生长的突变株，这为理解古菌的代谢灵活性提供了新视角。

### 代谢路径的转变

研究发现，这种突变株能够利用核苷作为生长底物，这与古菌原本的代谢方式有所不同。核苷通过一种称为“戊糖二磷酸（PBP）途径”的机制被代谢，该途径在古菌中具有特殊的功能。与细菌和真核生物的戊糖磷酸途径不同，古菌中缺乏氧化分支，而PBP途径则能够将核苷中的核糖部分转化为3-磷酸甘油酸（3PGA），并进一步进入改良的Embden-Meyerhof途径。这种转化过程不仅涉及碳骨架的代谢，还利用了CO?的固定作用，通过一种被称为“形式III核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/氧化酶（RuBisCO）”的关键酶。RuBisCO通常在光合作用中起作用，但在这种古菌中，它似乎被重新利用，作为核苷代谢的一部分。

### 核苷利用的关键机制

在核苷代谢过程中，研究人员观察到两种关键变化。首先，突变株中RuBisCO的表达水平显著上升，这可能与其对CO?的高效利用有关。其次，核苷转运蛋白NupD发生了结构上的改变，使其对核苷的摄取能力增强。NupD是核苷转运蛋白复合体的一部分，其结构特征与已知的核苷特异性转运蛋白类似，但具有独特的序列组织方式。通过基因组重测序分析，研究人员发现突变株中NupD基因发生了两个点突变，导致其结构变化，从而增强了对核苷的吸收能力。

### 代谢产物与能量利用

在培养过程中，突变株消耗了核苷，并将其转化为核苷酸和核碱基，这些物质在培养基中被检测到。同时，突变株的代谢产物如乙酸和丙氨酸的生成量与核苷的消耗量一致，表明其能够将核苷代谢为能量和碳源。此外，氢气（H?）和二氧化碳（CO?）的生成比例接近2:1，这与PBP途径中的CO?固定作用相符。这一比例的变化进一步支持了PBP途径在核苷代谢中的核心作用。

### 代谢途径的扩展意义

这项研究揭示了PBP途径不仅在核苷的回收利用中发挥重要作用，还可能成为古菌在富核苷环境中生长的中心代谢模块。这种能力的获得，使得*Thermococcus kodakarensis*能够在没有硫元素和丙酮酸的情况下，依然维持其生长。这一发现不仅拓展了我们对古菌代谢多样性的认识，还为利用PBP途径进行CO?固定和生物技术应用提供了潜在的可能性。例如，在工业或环境修复中，PBP途径可能被用于高效转化CO?为有机物，从而减少温室气体排放。

### 结构与功能的关联

通过AlphaFold3预测的结构分析，研究人员发现NupD的结构与已知的核苷转运蛋白相似，但其排列顺序被“翻转”。这种结构上的差异可能影响了其功能特性，使其能够更有效地结合和转运核苷。同时，RuBisCO的表达增强可能与调控序列的变化有关，如在RuBisCO基因上游发现的类似TGM（Thermococcales glycolytic motif）的序列。该序列的突变可能导致了某种调控因子的结合能力下降，从而提高了RuBisCO的转录水平。

### 实验验证与结果

为了验证这些假设，研究人员构建了多种重组菌株，包括RuBisCO过表达菌株和NupD突变菌株。结果表明，RuBisCO的过表达显著提高了突变株对核苷的利用能力，而NupD的突变则进一步增强了这种能力。然而，单独的突变或过表达并未完全恢复突变株的生长能力，表明可能还有其他未被发现的基因或调控因子参与其中。这提示我们，尽管已经明确了RuBisCO和NupD在核苷代谢中的作用，但整个代谢网络可能更加复杂，仍需进一步研究。

### 应用前景

这一研究不仅在基础科学层面具有重要意义，还可能在生物技术领域带来新的突破。PBP途径的高效CO?固定能力，使其成为一种潜在的碳捕获和转化工具。在极端环境中，如高温或高盐度条件，这种途径可能比传统途径更具优势。此外，由于古菌在这些极端条件下的生存能力，PBP途径的应用可能扩展到生物能源、生物制造等领域。例如，在高温工业反应中，利用这种途径可以提高碳源的利用效率，从而减少外部添加的营养物质需求。

### 未来研究方向

尽管本研究已经揭示了PBP途径在核苷代谢中的关键作用，但仍有许多问题需要进一步探索。例如，NupD突变如何具体影响其与核苷的相互作用，RuBisCO的过表达是否在其他核苷中也表现出类似效果，以及是否存在其他调控因子影响这一代谢过程。此外，PBP途径在其他古菌中的分布情况，以及其在不同环境条件下的适应性，都是未来研究的重要方向。

### 结论

通过实验室适应性进化，研究人员成功构建了一种能够在缺乏硫元素和丙酮酸的情况下利用核苷生长的*Thermococcus kodakarensis*突变株。这一发现不仅加深了我们对古菌代谢机制的理解，还展示了PBP途径在碳源转化和CO?固定方面的潜力。未来，这一研究成果可能为生物技术、环境工程和生物能源开发提供新的思路和方法。