5月31日，德國(guó)基爾大學(xué)植物所Kirstin Gutekunst團(tuán)隊(duì)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(lái)維持存在有機(jī)碳源和氮源的條件下的有氧生長(zhǎng)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)是令人意外的，因?yàn)檫^(guò)去人們都認(rèn)為藍(lán)藻的這個(gè)NiFe氫化酶是厭氧的。這篇論文顯示該條件下并沒(méi)有氫氣的產(chǎn)生，意味著這個(gè)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(lái)快速響應(yīng)葡萄糖和精氨酸的供應(yīng)，也可能長(zhǎng)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?；蛘哌@個(gè)氫化酶也可能通過(guò)NADP(H)、NAD(H)和ferredoxin庫(kù)之間的電子穿梭以此來(lái)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(gè)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(shí)產(chǎn)生氫氣（光合產(chǎn)氫模式）（Gutekunst et al. 2014）。后者持續(xù)時(shí)間較短，隨后光合作用積累產(chǎn)生的氫氣會(huì)被HoxEFUYH氧化吸收，產(chǎn)生的電子很大可能會(huì)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(huì)在NiFe氫化酶的活性位點(diǎn)通過(guò)形成一個(gè)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(huì)持續(xù)表達(dá)，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也可以檢測(cè)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(huì)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(zhǎng)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)是令人驚訝的，因?yàn)闅浠高^(guò)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(kù)被高度還原，然而ΔhoxH突變體細(xì)胞會(huì)進(jìn)入一種類似休眠的狀態(tài)，它不會(huì)像野生型細(xì)胞一樣有效地代謝有機(jī)碳源和氮源（葡萄糖和精氨酸）。而此時(shí)有氧的條件下，野生型細(xì)胞中也沒(méi)有檢測(cè)到氫氣產(chǎn)生。經(jīng)檢測(cè)，氫化酶并沒(méi)有精氨酸和葡萄糖氧化酶的功能，但對(duì)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(lái)對(duì)葡萄糖和精氨酸的供應(yīng)快速響應(yīng)，也可能長(zhǎng)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(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)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(jī)碳源和氮源的平衡，這個(gè)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(guó)基爾大學(xué)（University of Kiel）和卡塞爾大學(xué)（University of Kassel）的Kirstin Gutekunst團(tuán)隊(duì)完成。Heinrich Burgstaller博士作為論文第一作者。此外，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的Paul W. King教授也參與了本研究。本研究是該團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)時(shí)的重要功能機(jī)制發(fā)表于eLife （Wang Y, et al. 2022）。
