Physiological, biochemical and genetic studies of Corynebacterium glutamicum, a workhorse of white biotechnology used for amino acid production, led to a waste knowledge mainly about amino acid biosynthetic pathways and the central carbon metabolism of this bacterium. Spurred by the availability of the genome sequence and of genome-based experimental methods such as DNA microarray analysis, research on genetic regulation came into focus. Recent progress on mechanisms of genetic regulation of the carbon, nitrogen, sulfur and phosphorus metabolism in C. glutamicum will be discussed.
Metabolic flux analysis was established by adapting previous stoichiometric model developed during growth with cellulose to cell grown with cellobiose for further direct comparison of the bacterial metabolism. In carbon limitation with cellobiose, a shift from acetate-ethanol fermentation to ethanol-lactate fermentation is observed and the pyruvate overflow is much higher than with cellulose. In nitrogen limitation with cellobiose, the cellodextrin and exopolysaccharide overflows are much higher than on cellulose. In carbon and nitrogen saturation with cellobiose, the cellodextrin, exopolysaccharide, and free amino acids overflows reach the highest levels observed but all remain limited on cellulose. By completely shunting the cellulosome, the use of cellobiose allows to reach much higher carbon consumption rates which, in return, highlights the metabolic limitation of C. cellulolyticum. Therefore, the physical nature of the carbon source has a profound impact on the metabolism of C. cellulolyticum and most probably of other cellulolytic bacteria. For cellulolytic bacteria, the use of soluble carbon substrate must carefully be taken into consideration for the interpretation of results. Direct comparison of metabolic flux analysis from cellobiose and cellulose revealed the importance of cellulosome, phosphoglucomutase and pyruvate-ferredoxin oxidoreductase in the distribution of carbon flow in the central metabolism. In the light of these findings, future directions for improvement of cellulose catabolism by this bacterium are discussed.
본 총설에서는 아미노산의 공업적 생산균인 Corynebacterium glutamicum의 탄소 대사 및 이와 관련된 총체적 조절 메커니즘에 대한 최근의 연구를 정리하였다. C. glutamicum의 산업적 발효을 위한 기질로서 사용되는 당밀은 주로 sucrose, glucose, fructose로 이루어져 있으며, 이들 당은 phosphotransferase system을 통해서 수송된다. C. glutamicum의 탄소 대사 특징은 glucose가 다른 당이나 유기산 등과 함께 존재할 때, glucose와 이러한 탄소원 들을 동시에 대사한다. 그러나 glucose/glutamate 혹은 glucose/ethanol 등의 혼합물에서 는 탄소원의 순차적 이용으로 인해 나타나는 diauxic growth 현상을 나타내며, 이러한 carbon catabolite repression(CCR) 현상은 E. coli나 B. subtilis 등에서 알려진 것과는 다른 독특한 분자적 메커니즘과 조절 circuits을 가지고 있음이 밝혀지고 있다. C. glutamicum의 CRP homologue인 GlxR은 acetate 대사를 포함하여 glycolysis, gluconeogenesis 및 TCA cycle 등을 포함하는 중심탄소대사 조절 뿐만 아니라, 다양한 세포 기능의 조절에 관여하는 총체적 조절 단백질로서의 역할이 제시되고 있다. C. glutamicum의 adenylate cyclase(AC)는 막과 결합된 class IIIAC 로서, 막 단백질의 특성상 아직 규명되어 있지 않은 세포 외부의 환경 변화에 대응하여 세포 내의 cAMP합성 수준을 조절할 수 있는 sensor로 추정할 수 있다. 특히 C. glutamicum의 경우 배지내 glucose 를 비롯한 탄소원과 cAMP 농도와의 관련성이 E. coli에서 알려진 교과서적 지식과는 상반되게 변화하는 경향을 보이고 있어, cAMP signaling에 의한 세포 내 regulatory network 등은 향후 풀어야 할 의문으로 남아있다. 탄소대사 조절의 최상위에 존재하며 global 조절자인 GlxRcAMP 복합체 이외에도 차상위 전사조절 단백질로서 RamB, RamA, SugR 등이 존재하여 다양한 탄소대사를 조절한다. 최근 들어서는 새로운 탄소원으로서 대두되고 있는 biomass 관련 기질들을 이용할 수 있는 C. glutamucum 균주 구축을 통하여 이용 기질의 범위를 확대시키고자 하는 연구 및 탄소 대사와 관련하여 L-lysine의 발효 수율 혹은 생산성을 향상시키고자 하는 다양한 분자적 균주 육종 연구 등이 수행되고 있다.
Healthy aging can be defined as an extended lifespan and health span. Nutrition has been regarded as an important factor in healthy aging, because nutrients, bioactive food components, and diets have demonstrated beneficial effects on aging hallmarks such as oxidative stress, mitochondrial function, apoptosis and autophagy, genomic stability, and immune function. Nutrition also plays a role in epigenetic regulation of gene expression, and DNA methylation is the most extensively investigated epigenetic phenomenon in aging. Interestingly, age-associated DNA methylation can be modulated by one-carbon metabolism or inhibition of DNA methyltransferases. One-carbon metabolism ultimately controls the balance between the universal methyl donor S-adenosylmethionine and the methyltransferase inhibitor S-adenosylhomocysteine. Water-soluble B-vitamins such as folate, vitamin B6, and vitamin B12 serve as coenzymes for multiple steps in one-carbon metabolism, whereas methionine, choline, betaine, and serine act as methyl donors. Thus, these one-carbon nutrients can modify age-associated DNA methylation and subsequently alter the age-associated physiologic and pathologic processes. We cannot elude aging per se but we may at least change age-associated DNA methylation, which could mitigate age-associated diseases and disorders.
The lakes' metabolism bears important information for the assessment of the carbon budget due to the accumulation or loss of carbon in the lake as well as the dynamics of the food webs through primary production. A lake-scale metabolism is evaluated by Gross Primary Production (GPP), Ecosystem Respiration (R), and Net Ecosystem Production (NEP), which is the difference between the first two values. Methods for estimating GPP and R are based on the levels carbon and oxygen. Estimation of carbon is expensive because of the use of radioactive materials which requires a high degree of proficiency. The purpose of this study was to estimate Lake Daecheong ecosystem metabolism using high frequency water temperature data and DO measurement sensor, widely utilized in the field of water quality monitoring, and to evaluate the possibility of using the application method. High frequency data was collected at intervals of 10 minutes from September to December 2017 by installing a thermistor chain and a DO sensor in downstream of Daechung Dam. The data was then used to estimate GPP, R and NEP using the R public program LakeMetabolizer, and other metabolism models (mle, ols, kalman, bookkeep). Calculations of gas exchange coefficient methods (cole, crusius, heiskanen, macIntyre, read, soloviev, vachon) were compared. According to the result, Lake Daecheong has some deviation based on the application method, but it was generally estimated that the NEP value is negative and acts as a source of atmospheric carbon in a heterotrophic system. Although the high frequency sensor data used in this study had negative and positive GPP and R values during the physical mixing process, they can be used to monitor real-time metabolic changes in the ecosystem if these problems are solved.
Vibrio vulnificus needs various responsive mechanisms to survive and transmit successfully in alternative niches of human and marine environments, and to ensure the acquisition of steady energy supply to facilitate such unique life style. The bacterium had genetic constitution very different from that of Escherichia coli regarding metabolism of glycogen, a major energy reserve. V. vulnificus accumulated more glycogen than other bacteria and at various levels according to culture medium and carbon source supplied in excess. Glycogen was accumulated to the highest level in Luria-Bertani (3.08 mg/mg protein) and heart infusion (4.30 mg/mg protein) complex media supplemented with 1% (w/v) maltodextrin at 3 h into the stationary phase. Regarding effect of carbon source, more glycogen was accumulated when maltodextrin (2.34 mg/mg protein) was added than when glucose or maltose (0.78.1-14 mg/mg protein) was added as an excessive carbon source to M9 minimal medium, suggesting that maltodextrin metabolism might affect glycogen metabolism very closely. These results were supported by the analysis using the malP (encoding a maltodextrin phosphorylase) and malQ (encoding a 4-${\alpha}$-glucanotransferase) mutants, which accumulated much less glycogen than wild type when either glucose or maltodextrin was supplied as an excessive carbon source, but at different levels (3.1-80.3% of wild type glycogen). Therefore, multiple pathways for glycogen metabolism were likely to function in V. vulnificus and that responding to maltodextrin might be more efficient in synthesizing glycogen. All of the glycogen samples from 3 V. vulnificus strains under various conditions showed a narrow side chain length distribution with short chains (G4-G6) as major ones. Not only the comparatively large accumulation volume but also the structure of glycogen in V. vulnificus, compared to other bacteria, may explain durability of the bacterium in external environment.
Industrialization and development of technology satisfied various humanly needs and lay the basis of numerous benefit and profit. New technologies like these mostly required large amounts of fossil Fuel, Fossil energy depletion rate was increasing rapidly. However, technical development for Human race required absolute sacrifice of the environment. Especially, 'City' which had been focused as stage of human activities, allowed to continue to have fossil energy dependent activities, and it shows in many data that the city is responsible for the 75-80% of the green house gas by human. In order to solve the problem relating climate changes and energy, European countries already made progress studies on many of the low carbon green city and pilot case construction. Especially, Germany, Austria, Holland, Sweden who had been playing leader role on environmental awareness and ecological concept, are actively constructing low carbon green city project based on Ecological city planning scheme. These projects positively utilize planning scheme that limits carbon emission using Urban Metabolism concept. Therefore, throughout this study, I would like to present planning and direction of future domestic low carbon green city by analyzing theories relative theories and best practices in Europe.
$^{14}C$은 중수로원전에서 연돌(Stack)을 통해 방출되는 중요한 방사성 핵종중의 하나로, 대략 95% 가량이 이산화탄소의 형태로 발생되고 방출되고 있다. 방사성탄소는 발생에너지가 낮은 베타 방출체로서 외부피폭은 크게 영향을 미치지 않는다. 따라서 중수로에서 탄소는 흡입이나 섭취를 통해 작업자 체내로 유입되는 경우에만 내부피폭을 일으키고 있다. 일반적으로 탄소는 신체에서 불활성 기체와 같은 거동을 보이기 때문에 섭취경로에 의한 피폭이 흡입경로에 의한 피폭보다 훨씬 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 작업장에서 탄소의 흡입에 의한 방사선 피폭은 거의 일어나지 않으나 캐나다 원전의 압력관 교체 작업시 아주 소량의 피폭을 일으킨 경험이 있다. 본 논문은 원전 작업장에서 일어날 수 있는 방사성탄소의 흡입에 대비하여 방사선 피폭평가를 위한 방사선방호 프로그램을 수립할 목적으로 방사성탄소의 인체 대사모델 등에 대한 분석을 수행하였다.
Vitamin B6 functions as a coenzyme in >140 enzymatic reactions involved in the metabolism of amino acids, carbohydrates, neurotransmitters, and lipids. It comprises a group of three related 3-hydroxy-2-methyl-pyrimidine derivatives: pyridoxine (PN), pyridoxal (PL), pyridoxamine (PM) and their phosphorylated derivatives [pyridoxal 5'-phosphate (PLP) and pyridoxamine 5'-phosphate (PMP)], In the folate metabolism pathway, PLP is a cofactor for the mitochondrial and cytoplasmic isozymes of serine hydroxymethyltransferase (SHMT2 and SHMT1), the P-protein of the glycine cleavage system, cystathionine ${\beta}$-synthase (CBS) and ${\gamma}$-cystathionase, and betaine hydroxymethyltransferase (BHMT), all of which contribute to homocysteine metabolism either through folate-mediated one-carbon metabolism or the transsulfuration pathway. Folate cofactors carry and chemically activate single carbons for the synthesis of purines, thymidylate and methionine. So the evidence indicates that vitamin B6 plays an important role in maintenance of the genome, epigenetic stability and homocysteine metabolism. This article focuses on studies of strand breaks, micronuclei, or chromosomal aberrations regarding protective effects of vitamin B6, and probes whether it is folate-mediated one-carbon metabolism or the transsulfuration pathway for vitamin B6 which plays critical roles in prevention of cancer and cardiovascular disease.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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