5月31日，德國基爾大學植物所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，因為過去人們都認為藍藻的這個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葡萄糖和精氨酸的供應，也可能長期擔負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?；蛘哌@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胞中的氧化還原壓力。
藍藻模式物種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，氫化酶被認為是厭氧的。需要注意的是，這種氫化酶廣泛存在于藍藻中（Barz M, et al. 2010），而自然界的藍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，氫化酶在藍藻Synechocystis中會持續(xù)表達，體內(nèi)實驗也可以檢測到除完整氫化酶五聚體HoxEFUYH之外的其他子復合物。然而，至今未知這些子復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的缺失會使藍藻細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突變體細胞會進入一種類似休眠的狀態(tài)，它不會像野生型細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快速響應，也可能長期擔負著將精氨酸和葡萄糖氧化產(chǎn)生的電子，經(jīng)NDH-1復合物，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)果顯示藍藻細胞在有氧條件下，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”氫化酶在有氧藍藻中廣泛存在的原因。
該研究由德國基爾大學（University of Kiel）和卡塞爾大學（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）。
