5月31日，德國基爾大學(xué)植物所Kirstin Gutekunst團隊于Frontiers in Microbiology上發(fā)表“Synechocystis sp. PCC 6803 requires the bidirectional hydrogenase to metabolize glucose and arginine under oxic conditions”論文。該論文發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻需要依靠雙向NiFe氫化酶來維持存在有機碳源和氮源的條件下的有氧生長。這個發(fā)現(xiàn)是令人意外的，因為過去人們都認(rèn)為藍(lán)藻的這個NiFe氫化酶是厭氧的。這篇論文顯示該條件下并沒有氫氣的產(chǎn)生，意味著這個酶在有氧條件下應(yīng)該存在著一種至今未知的功能。它可能短期作為一種電子閥來快速響應(yīng)葡萄糖和精氨酸的供應(yīng)，也可能長期擔(dān)負(fù)著將葡萄糖和精氨酸氧化產(chǎn)生的電子傳輸?shù)焦夂想娮觽鬟f鏈中的功能。或者這個氫化酶也可能通過NADP(H)、NAD(H)和ferredoxin庫之間的電子穿梭以此來平衡細(xì)胞中的氧化還原壓力。
藍(lán)藻模式物種Synechocystis sp. PCC 6803含有一個雙向NiFe氫化酶，HoxEFUYH。它既可以催化在黑暗的條件中產(chǎn)生氫氣（發(fā)酵產(chǎn)氫模式），也可以催化細(xì)胞由黑暗向光照轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生氫氣（光合產(chǎn)氫模式）（Gutekunst et al. 2014）。后者持續(xù)時間較短，隨后光合作用積累產(chǎn)生的氫氣會被HoxEFUYH氧化吸收，產(chǎn)生的電子很大可能會經(jīng)質(zhì)體醌PQ傳遞到光合電子傳遞鏈。一旦光合作用產(chǎn)生的氧氣富集，細(xì)胞就既不能產(chǎn)生氫氣也不能氧化吸收氫氣了。目前的研究模型認(rèn)為氧氣會在NiFe氫化酶的活性位點通過形成一個羥基（OH-）連接Ni離子和Fe離子進(jìn)而阻斷氫氣的循環(huán) (Caserta et al.2020)。由于它的易于失活，氫化酶被認(rèn)為是厭氧的。需要注意的是，這種氫化酶廣泛存在于藍(lán)藻中（Barz M, et al. 2010），而自然界的藍(lán)藻主要生活在有氧的條件中。此外人們還發(fā)現(xiàn)有氧條件下，氫化酶在藍(lán)藻Synechocystis中會持續(xù)表達(dá)，體內(nèi)實驗也可以檢測到除完整氫化酶五聚體HoxEFUYH之外的其他子復(fù)合物。然而，至今未知這些子復(fù)合體是否履行某些功能。
本研究發(fā)現(xiàn)氫化酶大亞基中HoxH的缺失會使藍(lán)藻細(xì)胞不能在含有葡萄糖和精氨酸的有氧光照條件下生長。這個發(fā)現(xiàn)是令人驚訝的，因為氫化酶過去被是一種厭氧酶。在此條件下，野生型細(xì)胞中的完整的類囊體膜大部分消失，藻青素富集，PQ庫被高度還原，然而ΔhoxH突變體細(xì)胞會進(jìn)入一種類似休眠的狀態(tài)，它不會像野生型細(xì)胞一樣有效地代謝有機碳源和氮源（葡萄糖和精氨酸）。而此時有氧的條件下，野生型細(xì)胞中也沒有檢測到氫氣產(chǎn)生。經(jīng)檢測，氫化酶并沒有精氨酸和葡萄糖氧化酶的功能，但對有氧條件下光合復(fù)合物的氧化還原狀態(tài)有影響。它可能短期作為一種電子閥來對葡萄糖和精氨酸的供應(yīng)快速響應(yīng)，也可能長期擔(dān)負(fù)著將精氨酸和葡萄糖氧化產(chǎn)生的電子，經(jīng)NDH-1復(fù)合物，傳輸?shù)焦夂想娮觽鬟f鏈中的功能。但后者結(jié)論需要更多研究證據(jù)。此外，最近有體外研究發(fā)現(xiàn)氫化酶的一個獨特的特點是可以在NADP(H)、NAD(H)、ferredoxin和flavodoxin之間穿梭電子轉(zhuǎn)換。綜上，該研究結(jié)果顯示藍(lán)藻細(xì)胞在有氧條件下，需要依靠氫化酶維持代謝有機碳源和氮源的平衡，這個發(fā)現(xiàn)可能也解釋了自然界中“厭氧酶”氫化酶在有氧藍(lán)藻中廣泛存在的原因。
該研究由德國基爾大學(xué)（University of Kiel）和卡塞爾大學(xué)（University of Kassel）的Kirstin Gutekunst團隊完成。Heinrich Burgstaller博士作為論文第一作者。此外，美國國家可再生能源實驗室（NREL）的Paul W. King教授也參與了本研究。本研究是該團隊發(fā)現(xiàn)的第二例“厭氧酶”在有氧條件下仍發(fā)揮重要生理功能的現(xiàn)象，此前發(fā)現(xiàn)的參與丙酮酸脫羧反應(yīng)的PFOR酶在兼養(yǎng)生長時的重要功能機制發(fā)表于eLife （Wang Y, et al. 2022）。
