Publications

synthesis. This was the important assumption in the leakage
model.
Evidence that disagrees with the leakage model also was
reported. First, signi
ficant ODHC activity was detected in
C. glutamicum (
Shiio and Ujigawa, 1980
). It also was revealed
by metabolic
flux analysis that the tricarboxylic acid cycle is not
totally blocked during glutamate production (
Shiio et al.,
1961
). Second, secretion of
L
-glutamate under biotin-limited
conditions occurs despite the unchanged permeability of the
membrane to other ions and other amino acids or carboxylic
acids (
Fudou et al., 2002
). Moreover, it has been suggested that
a glutamate exporter is present in C. glutamicum. Furthermore,
it was con
firmed that membrane turbidity does not change
under biotin-limited conditions (
Gourdon and Lindley, 1999
).
Similarly, the importance of
flux changes has been suggested by
analysis of metabolic enzyme activity.
Role of Fatty Acid Biosynthesis in Glutamate Overproduction
It was observed that disruption of the DtsR1 gene, which
encodes a putative component of a biotin-containing enzyme
complex that is involved in fatty acid synthesis, causes consti-
tutive overproduction of
L
-glutamate (
Kimura et al., 1997
). The
amino acid sequence of DtsR1 showed homology to that of
a subunit of acyl-coenzyme A(CoA) carboxylases of various
origins and disruption of DtsR1 resulted in fatty acid auxot-
rophy. Hence, DtsR1 is presumed to represent a subunit of
acetyl-CoA carboxylase (
Kimura et al., 1997
), which catalyzes
the
first step in fatty acid biosynthesis. As in the case of biotin
limitation, addition of a surfactant, or penicillin, DtsR1-
disruption also reduces the activity of the ODHC. These results
indicate that the DtsR1 level affects the activity of ODHC. On
the basis of studies on DtsR1, it is assumed that a decrease in
the DtsR1 cellular concentration due to biotin limitation and
Tween 40 addition triggers a reduction in ODHC activity and
leads to glutamate overproduction (
Kimura et al., 1999
). It was
observed, however, that penicillin treatment did not decrease
the DtsR1 cellular concentration, rather it reduced the ODHC
activity. Unfortunately, the reason for the identical response of
the ODHC activity to treatments with the two agents having
different sites of primary action remains unclear (
Eggeling
et al., 2001
).
The effects of overexpression or deletion of genes related to
lipid or fatty acid biosynthesis on glutamate overproduction by
C. glutamicum also was investigated (
Nampoothiri et al., 2002
).
The changes in the expression of the genes related to lipid or
fatty acid biosynthesis caused severe alteration of phospholipid
composition and temperature-sensitive growth. The alteration
of phospholipid composition was obvious with overexpression
of fadD15 (encoding acyl-CoA ligase), pgsA2 (phosphatidyl
glycerophosphate synthase) and cdsA (Cytidine diphosphate-
diacylglycerol synthase) genes, respectively. The mutants of cls
gene encoding cardiolipin synthase most signi
ficantly showed
temperature sensitivity. Not only changes in phospholipid
composition and growth phenotype but also changes in
glutamate ef
flux were observed by changing the expression of
the phospholipid or fatty acid biosynthesis genes. Sun-uk et al.
(2004) made an interesting observation that the ef
flux of glu-
tamic acid from cells of Brevibacterium spp. is affected by
temperature. The yield, as well as the speci
fic production rate,
of glutamic acid also was increased by a temperature upshift
and estimated that cultivation temperature may affect the ef
flux
of glutamic acid (
Kishimoto et al., 1989
). Analysis of the lipid
composition of the cell membrane (
Lehniger et al., 1993
)
indicated that the degree of
fluidity depends heavily on lipid
composition and temperature.
In 1990, Hoischen and Krämer reported in detail the rela-
tionship between the alteration of the membrane state and
glutamate overproduction by C. glutamicum. The total amount
of lipids or fatty acids, as well as phospholipids, was decreased
and the ratio of saturated/unsaturated fatty acids (decreased
level in oleic acid and increased level in palmitic acid) was
changed under biotin-limiting conditions. Moreover, the total
content of phospholipids was decreased, but the distribution of
the phospholipids species was not changed. Later
Hashimoto
et al. (2006)
investigated the relationship between the forma-
tion of the mycolic acid layer and glutamate overproduction by
C. glutamicum. The major mycolic acids of C. glutamicum were
C30, C32, and C34 under normal growth conditions. C32
mycolic acid is the most abundant and forms about 70% of
total mycolic acid. C32 mycolic acid was composed of two C16
fatty acids (palmitate, one of the abundant fatty acids in
C. glutamicum). Another abundant fatty acid, oleic acid (C18:1)
was hardly found in the mycolic acid layer. The cellular content
of mycolic acid decreased under biotin limitation, Tween 40
addition, penicillin treatment, and cerulenin addition. More-
over, the content of short chain
–length mycolic acids increased
with biotin limitation and cerulenin addition. These indicate
that defects in the mycolic acid layer are caused by treatments
inducing glutamate overproduction. Some genes whose prod-
ucts are involved in mycolic acid biosynthesis were identi
fied
from the genome sequence of C. glutamicum (
Gande et al.,
2004
;
Portevin et al., 2005
), further investigation is required for
understanding the mechanism of the reduction of the content
of mycolic acid in the mycolic acid layer by the treatments
triggering glutamate overproduction.
Lysine Production Pathway in C. glutamicum
Lysine belongs to the aspartate amino acid family, and in
C. glutamicum, it is produced from pyruvate, oxaloacetate, and
two ammonia molecules involving the additional supply of
four NADPH as reducing power (
Michal, 1999
). Interestingly,
the organism has a split pathway for the biosynthesis of lysine
as shown in
Figure 5
(
Schrumpf et al., 1991
;
Sonntag et al.,
1993
). The two alternative branches give C. glutamicum an
increased
flexibility in response to changing environmental
conditions, involving different ammonia levels (
Sahm et al.,
2000
).
DL
-Diaminopimelate as an intermediate of the lysine
pathway is another essential building block for the synthesis
of the murein sacculus (
Wehrmann et al., 1998
). In bacteria
and plants, lysine may be synthesized from aspartate by one
or several of four variants of the diaminopimelate route.
These pathway variants diverge at the common intermediate
tetrahydrodipicolinate (
McCoy et al., 2006
;
Schrumpf et al.,
1991
).
Oxaloacetate is a direct precursor of aspartate-derived
amino acids, including lysine. In C. glutamicum, the anaplerotic
enzymes phosphoenolpyruvate carboxylase (
Eikmanns et al.,
510
Corynebacterium glutamicum
Encyclopedia of Food Microbiology, Second Edition, 2014, 504–517

tải về 1 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: