Constructing and testing the thermodynamic limits of synthetic NAD(P)H:H2 pathways

NAD+激酶 化学 产量(工程) 代谢途径 基质(水族馆) 生物化学 分解代谢 立体化学 生物 热力学 生态学 物理
作者
Andrea Veit,M. Akhtar,Taeko Mizutani,Patrik R. Jones
出处
期刊:Microbial biotechnology [Wiley]
卷期号:1 (5): 382-394 被引量:67
标识
DOI:10.1111/j.1751-7915.2008.00033.x
摘要

Summary NAD(P)H:H 2 pathways are theoretically predicted to reach equilibrium at very low partial headspace H 2 pressure. An evaluation of the directionality of such near‐equilibrium pathways in vivo , using a defined experimental system, is therefore important in order to determine its potential for application. Many anaerobic microorganisms have evolved NAD(P)H:H 2 pathways; however, they are either not genetically tractable, and/or contain multiple H 2 synthesis/consumption pathways linked with other more thermodynamically favourable substrates, such as pyruvate. We therefore constructed a synthetic ferredoxin‐dependent NAD(P)H:H 2 pathway model system in Escherichia coli BL21(DE3) and experimentally evaluated the thermodynamic limitations of nucleotide pyridine‐dependent H 2 synthesis under closed batch conditions. NADPH‐dependent H 2 accumulation was observed with a maximum partial H 2 pressure equivalent to a biochemically effective intracellular NADPH/NADP + ratio of 13:1. The molar yield of the NADPH:H 2 pathway was restricted by thermodynamic limitations as it was strongly dependent on the headspace : liquid ratio of the culture vessels. When the substrate specificity was extended to NADH, only the reverse pathway directionality, H 2 consumption, was observed above a partial H 2 pressure of 40 Pa. Substitution of NADH with NADPH or other intermediates, as the main electron acceptor/donor of glucose catabolism and precursor of H 2 , is more likely to be applicable for H 2 production.
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