Interchangeability of class I and II fumarases in an obligate methanotroph Methylotuvimicrobium alcaliphilum 20Z

延胡索酶 甲烷利用细菌 柠檬酸循环 富马酸 生物化学 苹果酸脱氢酶 生物 大肠杆菌 异源表达 化学 立体化学 基因 甲烷厌氧氧化 重组DNA 催化作用
作者
Oleg I. Melnikov,Ildar I. Mustakhimov,Alexander S. Reshetnikov,Maxim Molchanov,Andrey V. Machulin,Valentina N. Khmelenina,Olga N. Rozova
出处
期刊:PLOS ONE [Public Library of Science]
卷期号:18 (10): e0289976-e0289976 被引量:3
标识
DOI:10.1371/journal.pone.0289976
摘要

The methanotrophic bacterium Methylotuvimicrobium alcaliphilum 20Z is an industrially promising candidate for bioconversion of methane into value-added chemicals. Here, we have study the metabolic consequences of the breaking in the tricarboxylic acid (TCA) cycle by fumarase knockout. Two fumarases belonging to non-homologous class I and II fumarases were obtained from the bacterium by heterologous expression in Escherichia coli. Class I fumarase (FumI) is a homodimeric enzyme catalyzing the reversible hydration of fumarate and mesaconate with activities of ~94 and ~81 U mg-1 protein, respectively. The enzyme exhibited high activity under aerobic conditions, which is a non-typical property for class I fumarases characterized to date. The calculation of kcat/S0.5 showed that the enzyme works effectively with either fumarate or mesaconate, but it is almost four times less specific to malate. Class II fumarase (FumC) has a tetrameric structure and equal activities of both fumarate hydration and malate dehydration (~45 U mg-1 protein). Using mutational analysis, it was shown that both forms of the enzyme are functionally interchangeable. The triple mutant strain 20Z-3E (ΔfumIΔfumCΔmae) deficient in the genes encoding the both fumarases and the malic enzyme accumulated 2.6 and 1.1 mmol g-1 DCW fumarate in the medium when growing on methane and methanol, respectively. Our data suggest the redundancy of the metabolic node in the TCA cycle making methanotroph attractive targets for modification, including generation of strains producing the valuable metabolites.
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