キシロース代謝

D-キシロースは、さまざまな生物によって有用な産物に分解または代謝される 5炭素アルドース（ペントース、単糖）です。

D-キシロースの異化には少なくとも 4 つの異なる経路があります。真核微生物には酸化還元酵素経路が存在します。原核生物は通常、異性化酵素経路を使用し、原核微生物にはそれぞれ Weimberg 経路と Dahms 経路と呼ばれる 2 つの酸化経路も存在します。

経路

酸化還元酵素経路

この経路は、「キシロース還元酵素-キシリトール脱水素酵素」または XR-XDH 経路とも呼ばれます。キシロース還元酵素 (XR) とキシリトール脱水素酵素(XDH) は、この経路の最初の 2 つの酵素です。XR は、NADHまたはNADPHを使用してD-キシロースをキシリトールに還元します。次に、キシリトールは補因子NAD を使用して XDH によって D-キシルロースに酸化されます。最後のステップでは、D-キシルロースは ATP 利用キナーゼ XK によってリン酸化され、ペントースリン酸経路の中間体であるD-キシルロース-5-リン酸になります。

イソメラーゼ経路

この経路では、キシロースイソメラーゼ酵素がD-キシロースを直接D-キシルロースに変換します。その後、D-キシルロースは酸化還元酵素経路と同様にリン酸化されてD-キシルロース-5-リン酸になります。平衡状態では、キシロースからキシルロースへの変換はエネルギー的に不利であるため、イソメラーゼ反応により83%のD-キシロースと17%のD-キシルロースの混合物が生成されます。^[1]

ヴァイムベルク経路

ワインベルグ経路^[2]は、D-キシロースが D-キシロース脱水素酵素によって D-キシロノラクトンに酸化され、続いてラクトナーゼによってラクトンが D-キシロン酸に加水分解される酸化経路です。キシロン酸脱水酵素が水分子を分解して 2-ケト 3-デオキシ-キシロン酸を生成します。2-ケト-3-デオキシ-D-キシロン酸脱水酵素は、α-ケトグルタル酸セミアルデヒドを形成します。これはその後、α-ケトグルタル酸セミアルデヒド脱水素酵素によって酸化され、クエン酸回路の重要な中間体として機能する 2-ケトグルタル酸を生成します。^[3]

ダームス経路

ダームス経路^[4]はワインベルグ経路として始まりますが、2-ケト-3デオキシキシロン酸はアルドラーゼによってピルビン酸とグリコールアルデヒドに分解されます。

バイオテクノロジーの応用

D-キシロースをエタノールに発酵させることが望ましい。これは、Scheffersomyces Pichia stipitisなどの天然のキシロース発酵酵母、または代謝操作されたSaccharomyces cerevisiae株のいずれかによって達成できる。Pichia stipitisは、従来のエタノール生成酵母Saccharomyces cerevisiaeほどエタノール耐性ではない。一方、S. cerevisiae はD-キシロースをエタノールに発酵できない。D-キシロースを発酵できるS. cerevisiae株を生成する試みにおいて、それぞれ D-キシロース還元酵素(XR) とキシリトール脱水素酵素(XDH)をコードするP. stipitisのXYL1 遺伝子と XYL2 遺伝子が、遺伝子操作によって S. cerevisiae に導入された。^[5] XRはD-キシロースからキシリトールの形成を触媒し、XDHはキシリトールからD-キシルロースの形成を触媒します。サッカロミセス・セレビシエはペントースリン酸経路を介してD-キシルロースを自然に発酵することができます。

別のアプローチでは、細菌のキシロースイソメラーゼがS. cerevisiaeに導入されています。この酵素は、D-キシロースからD-キシルロースを直接生成する触媒作用をします。細菌イソメラーゼを発現させる多くの試みは、ミスフォールディングやその他の問題のために成功しませんでしたが、嫌気性菌Piromyces Sp.由来のキシロースイソメラーゼは効果的であることが証明されています。^{[6]キシロースイソメラーゼを組み込んだ}S. cerevisiae の利点の1つは、結果として得られる細胞が進化的適応後にキシロース上で嫌気的に成長できることです。

D-キシロース代謝中の酸化ペントースリン酸経路を介したフラックスに関する研究により、このステップの速度を制限するとエタノール発酵の効率が向上する可能性があることが明らかになりました。エタノール生産を改善する可能性のあるこのフラックスの修正には、 GND1遺伝子またはZWF1遺伝子の削除が含まれます。^[7]ペントースリン酸経路は代謝中に追加のNADPHを生成するため、このステップを制限すると、NAD(P)HとNAD +補因子間のすでに明らかな不均衡を修正し、キシリトール副産物の形成を減らすのに役立ちます。

2つのD-キシロース代謝経路を比較した別の実験では、XI経路がD-キシロースを最もよく代謝して最大のエタノール収量を生み出すのに対し、XR-XDH経路ははるかに速い速度でエタノールを生産することが明らかになりました。^[8]

非酸化性ペントースリン酸経路酵素であるトランスアルドラーゼ、トランスケトラーゼ、リブロース-5-リン酸エピメラーゼ、リボース-5-リン酸ケトールイソメラーゼ^{[9]をコードする4つの遺伝子の過剰発現は、}D-キシルロース^[10] とD-キシロース^[11]の発酵速度の増加につながった。

研究室でのこの遺伝子組み換えの目的は、エタノールを効率的に生産する酵母菌株を開発することです。しかし、D-キシロースを代謝する研究室菌株の有効性は、自然界の生のキシロース製品に対する代謝能力を必ずしも反映するものではありません。D-キシロースは主に木材などの農業残渣から分離されるため、天然酵母または遺伝子組み換え酵母は、これらの純度の低い天然源を代謝するのに有効である必要があります。

D-キシロース代謝経路の効率を最適化するために、XRおよびXDH酵素レベルの発現を変化させることが実験室でテストされてきた。^[12]

参考文献

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