Acetogeneze je biochemický proces, jehož výsledkem je tvorba kyseliny octové (acetátu) z oxidu uhličitého a donoru elektronů (například molekulárního vodíku , oxidu uhelnatého , kyseliny mravenčí (formiátu) ). Tento proces využívají anaerobní organismy v sekvenci biochemických reakcí reduktivní acetyl-CoA dráhy (Wood-Ljungdahlova dráha). Skupina různých typů bakterií, které jsou schopné acetogeneze, se nazývá acetogeny . Některé acetogeny jsou schopny autotrofně syntetizovat acetát z oxidu uhličitého a vodíku [1] . Celková reakce syntézy autotrofního acetátu:
AG°'= -95 kJ/molProces získávání acetátu heterotrofními acetogeny ze sacharidů (například glukózy) se nazývá homoacetátová fermentace :
V roce 1932 byly objeveny organismy, které jsou schopny přeměnit molekulární vodík a oxid uhličitý na kyselinu octovou . První druh acetogenních bakterií, Clostridium aceticum , objevil v roce 1936 Klas Tammo Wieringa ( Holandský. Klaas Tammo Wieringa , 1891-1980). Druhý druh, Moorella thermoacetica , vzbudil velký zájem pro svou schopnost přeměnit glukózu na 3 molekuly kyseliny octové [2] .
Autotrofní fixace oxidu uhličitého je rozšířená mezi acetogenními anaerobními bakteriemi, jako jsou Acetobacterium woodii , Clostridium aceticum , Moorella thermothermoacetica a Moorella thermoautotrophica [3] . Redukční ekvivalenty pro tyto reakce se získávají působením hydrogenáz na H 2 [4] [5] . Acetobacterium woodii má cytoplazmatickou hydrogenázu typu [FeFe] [6] . Thioester je acetyl-CoA , který vzniká v sekvenci reakcí Wood-Ljungdahlovy dráhy [7] :
v důsledku dvou po sobě jdoucích reakcí se mění na acetát:
Acetyl-CoA + Pi → CoA + acetylfosfát Acetylfosfát + ADP → CH 3 COOH + ATP, ΔG ° = -12,9 kJ / molV první reakci, katalyzované fosfát acetyltransferázou(EC 2.3.1.8) se získá acetylfosfát [8] . Druhá reakce katalyzovaná acetátkinázou(EC 2.7.2.1), vede k tvorbě ATP z ADP. Vzhledem k tomu, že vytvořená molekula ATP je spotřebována v prvních fázích Wood-Ljungdalovy dráhy, celková reakce nevede ke vzniku ATP. ATP se tvoří díky potenciálu sodíkové membrány [9] v Acetobacterium woodii . To neplatí pro všechny acetogeny. Clostridium aceticum a Moorella thermoautotrophica obsahují cytochromy a zdá se, že vytvářejí protonový gradient místo gradientu sodíkových iontů [10] .
CO 2 je konečným akceptorem elektronů během růstu acetogenů. Růst na redukovaných (s nízkým stupněm oxidace uhlíku) jednouhlíkových substrátech striktně závisí na dostupnosti exogenního CO 2 v prostředí . K regeneraci redukovaných elektronových nosičů jsou zapotřebí další množství C02 a tato regenerace musí nastat předtím, než se CO2 odvozený od substrátu stane dostupným prostřednictvím dekarboxylace pyruvátu.
Růst s oxidem uhelnatýmBěhem růstu na CO, jehož celkovou reakci lze popsat jako:
4CO + 2H20 - > CH3COOH + 2CO2exogenní CO 2 je vyžadován navzdory skutečnosti, že proces vytváří přebytek CO 2 [11] .
CO-dehydrogenázový komplex v takových acetogenních bakteriích, jako je Acetobacterium woodii a Moorella thermoacetica, může syntetizovat acetyl-CoA z methyltetrahydrofolátu a CO [12] [13] [14] [15] .
Růst s metanolemRůst acetogenů Moorella thermoacetica a Clostridium formicoaceticum na methanolu neprobíhá bez přídavku CO 2 [16] [17] .
Glukóza je v prvním kroku přeměněna na dvě molekuly pyruvátu prostřednictvím sekvence glykolýzních reakcí :
glukóza + 2 NAD + + 2 ADP + 2 P i → 2 pyruvát + 2NADH + 2 H + + 2 ATP + 2 H 2 OV této fázi jsou mechanismem fosforylace substrátu získány 2 molekuly ATP .
Pyruvát je poté oxidován a dekarboxylován na acetyl-CoA, CO2 a 4 redukční ekvivalenty ( feredoxin ), pyruvát:ferredoxinoxidoreduktáza:
pyruvát + KoA + Fd acetyl -CoA oxid + CO 2 + Fd reduk2 molekuly acetyl-CoA, získané z pyruvátu, jsou převedeny na dvě molekuly acetátu:
acetyl-CoA + Pi → CoA + acetylfosfátTento proces produkuje další ATP mechanismem fosforylace substrátu. Osm redukčních ekvivalentů získaných glykolýzou a oxidativní dekarboxylací pyruvátu je pak použito v Wood-Ljungdalově cestě k redukci dvou molekul CO 2 na další (třetí) molekulu acetátu.
Celková reakce:
C6H12O6 - > 3 CH3COOH + 4ATP _ _Molekula CO 2 , která je redukována Wood-Ljungdalovou cestou, pochází převážně z vnějšího zdroje, a nikoli z molekuly CO 2 vytvořené v reakci dekarboxylace pyruvátu. V tomto ohledu je důležité dodatečně přidávat CO 2 (nebo uhličitany) do růstového média při kultivaci acetogenů v laboratoři. Tato technika se ukazuje jako nesrozumitelná, protože není indikována stechiometrií metabolických reakcí. Například stechiometrická přeměna cukrů (např. glukózy nebo fruktózy na acetát (viz výše) ukazuje, že pro acetogenezi není zapotřebí CO 2. Růst na cukrech může být významně narušen v nepřítomnosti dalšího CO 2 [18] [19] [ 20] .
Unikátní metabolismus acetogenů má biotechnologické aplikace. Při fermentaci sacharidů vedou dekarboxylační reakce ke ztrátě uhlíku ve formě oxidu uhličitého . Tato ztráta je znepokojivá, protože existuje zvýšená poptávka po minimalizaci emisí CO 2 a potřeba výroby biopaliv, aby úspěšně konkurovala fosilním palivům na peněžním základě. Acetogeny mohou fermentovat glukózu bez tvorby CO 2 a převádět ji za vzniku 3 molekul acetátu, což vede ke zvýšení teoretického výtěžku produktu až o 50 %. Acetogeny nenahrazují glykolýzu jinou metabolickou cestou, ale zahrnují CO 2 vznikající při glykolýze v procesu acetogeneze [21] .