Publications

speci
fic deletions, such as the ones in clpC and clpX genes of
C. glutamicum, coding for regulatory subunits of the adenosine
triphosphate (ATP)-dependent protease clp (
Engels et al.,
2004
). Scope existed for further improvements in this area
because the present protein maps lacks the majority of basic
proteins and membrane proteins (represents 5
–10% of total
proteins of C. glutamicum). The reasons are mainly technical
issues that can be addressed in future.
Metabolic Pathway for Glutamate Production by
C. glutamicum
In C. glutamicum,
L
-glutamate is biosynthesized from glucose
via glycolysis, the oxidative branch of the tricarboxylic acid
(TCA) cycle and the action of glutamate dehydrogenase (GDH)
as shown in
Figure 3
(
Bormann et al., 1992
). During these
reactions, 1 mol of CO
2
per mol of
L
-glutamate produced is
fixed to Pyruvate by Pyruvate carboxylase (PYCx), whereas
2 mol of CO
2
is released by Pyruvate dehydrogenase (PDH)
and isocitrate dehydrogenase (ICDH). Accordingly, the overall
reaction for the biosynthesis of
L
-glutamate from glucose is as
follows:
glucose
þ NH
3
þ 3NAD þ
L
-glu
þ 3 nicotinamide
adenine
dinucleotide
(NADH)NADH
þNADH3 H
þ
þ CO
2
.
The maximum yield of
L
-glutamate from glucose via the
conventional metabolic pathway is therefore 81.7% by weight
(100% mol

1
glutamate produced/glucose consumed).
Chi-
nen et al. (2007)
, however, have designed an innovative
pathway for ef
ficient
L
-glutamate production employing
phosphoketolase to bypass the CO
2
-releasing PDH reaction,
thereby increasing the maximum theoretical yield of
L
-gluta-
mate from glucose to up to 98.0% by weight (120% mol

1
glutamate produced/glucose consumed). To understand the
mechanism
involved
in
glutamic
acid
production
by
C. glutamicum, several studies were conducted. The dynamic
behavior of the metabolism of C. glutamicum during
L
-glutamic
acid fermentation was evaluated by quantitative analysis of the
evolution of intracellular metabolites and key enzyme
concentrations (
Gourdon and Lindley, 1999
). These intracel-
lular metabolites analysis showed important variations of
glycolytic intermediates and NADH, NAD coenzymes levels
throughout the production phase. Genes involved in
L
-gluta-
mate biosynthesis of C. glutamicum, sugar metabolism,
glycolysis and central metabolism, the TCA cycle nitrate
assimilation, transport, and energetic have been studied thor-
oughly (
Kimura, 2005
). The expression of genes in response to
the conditions inducing glutamate overproduction was inves-
tigated by using a DNA microarray technique (
Kataoka et al.,
2006
). This analysis showed that most genes involved in the
Embden
–Meyerhof–Parnas (EMP) pathway, the pentose
phosphate pathway (PPP), and the TCA cycle were down-
regulated, whereas
five genes were highly upregulated
(NCgl0917, NCgl2944, NCgl2945, NCgl2946, and NCgl2975).
Citrate synthase (CS), encoded by gltA, catalyzes the initial
reaction of the TCA cycle and is supposed to be the rate-
controlling enzyme for the entry of substrates into the cycle.
The speci
fic activity of CS in C. glutamicum, however, was found
to be independent of the level of substrate and of the phase of
growth. The enzyme was not affected by NADH or 2-oxoglu-
tarate and was only weakly inhibited by ATP (
Shiio et al.,
1977
). Ampli
fication of gltA did not result in increased gluta-
mate production, and its inactivation resulted in glutamate
auxotrophy, indicating that only one single CS is present in
C. glutamicum (
Eikmanns et al., 1994
). The ICDH of
C. glutamicum is expressed constitutively because its speci
fic
activity is independent of the substrate and the growth phase
(
Benett and Holms, 1975
). The enzyme is a monomer, in
contrast to the dimeric enzyme of Escherichia coli. In addition
to the different tertiary structure, the C. glutamicum enzyme
exhibits a 10-fold increased activity as compared with the E. coli
enzyme as well as a striking increased speci
ficity toward nico-
tinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP) and iso-
citrate. The enzyme is weakly inhibited by oxaloacetate,
2-oxoglutarate, and citrate, and is inhibited strongly by oxalo-
acetate plus glyoxylate (
Eikmanns et al., 1995
). An ICDH-
de
ficient mutant (icd) was a glutamate auxotroph, and a strain
overexpressing icd showed no detectable alteration of
L
-gluta-
mate production, even when the glutamate dehydrogenase
gene gdh was simultaneously overexpressed. These results
indicate that some factor other than ICDH is rate limiting for
L
-glutamate production (
Eikmanns et al., 1995
). Because both
ICDH and GDH of coryneform bacteria are dependent on
NADP(H), a direct coupling, at least when considering the
cellular NADP(H) balance, seems to be important for effective
L
-glutamate overproduction (
Figure 4
). Moreover, because
much NADPH certainly is required for fatty acid synthesis, an
Figure 3
Metabolic pathway for glutamic acid production in Corynebacterium glutamicum.
Corynebacterium glutamicum
507
Encyclopedia of Food Microbiology, Second Edition, 2014, 504–517

tải về 1 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: