Hydrogenase-3 Contributes to Anaerobic Acid Resistance of Escherichia coli

Abstract

BackgroundHydrogen production by fermenting bacteria such as Escherichia coli offers a potential source of hydrogen biofuel. Because H2 production involves consumption of 2H+, hydrogenase expression is likely to involve pH response and regulation. Hydrogenase consumption of protons in E. coli has been implicated in acid resistance, the ability to survive exposure to acid levels (pH 2–2.5) that are three pH units lower than the pH limit of growth (pH 5–6). Enhanced survival in acid enables a larger infective inoculum to pass through the stomach and colonize the intestine. Most acid resistance mechanisms have been defined using aerobic cultures, but the use of anaerobic cultures will reveal novel acid resistance mechanisms.Methods and Principal FindingsWe analyzed the pH regulation of bacterial hydrogenases in live cultures of E. coli K-12 W3110. During anaerobic growth in the range of pH 5 to 6.5, E. coli expresses three hydrogenase isoenzymes that reversibly oxidize H2 to 2H+. Anoxic conditions were used to determine which of the hydrogenase complexes contribute to acid resistance, measured as the survival of cultures grown at pH 5.5 without aeration and exposed for 2 hours at pH 2 or at pH 2.5. Survival of all strains in extreme acid was significantly lower in low oxygen than for aerated cultures. Deletion of hyc (Hyd-3) decreased anoxic acid survival 3-fold at pH 2.5, and 20-fold at pH 2, but had no effect on acid survival with aeration. Deletion of hyb (Hyd-2) did not significantly affect acid survival. The pH-dependence of H2 production and consumption was tested using a H2-specific Clark-type electrode. Hyd-3-dependent H2 production was increased 70-fold from pH 6.5 to 5.5, whereas Hyd-2-dependent H2 consumption was maximal at alkaline pH. H2 production, was unaffected by a shift in external or internal pH. H2 production was associated with hycE expression levels as a function of external pH.ConclusionsAnaerobic growing cultures of E. coli generate H2 via Hyd-3 at low external pH, and consume H2 via Hyd-2 at high external pH. Hyd-3 proton conversion to H2 is required for acid resistance in anaerobic cultures of E. coli.

YfdW and YfdU Are Required for Oxalate-Induced Acid Tolerance in Escherichia coli K-12

“…Thus, it is unlikely that oxalate is utilized as a metabolite in a proton-consuming reaction, like glutamate or arginine in AR2 or AR3. Formate, one of the products of the YfdWU-catalyzed reaction, mediates acid resistance when included in the challenge medium (70). Noguchi et al showed previously that knockouts of hydE (Hyd-3), a component in the formate hydrogen lyase (FHL) complex, grown to stationary phase in rich medium (LBK) at pH 5.0 and then challenged anaerobically at pH 2 and 2.5 in rich medium (LBK) showed reduced acid resistance compared to the other Hyd mutants and wild-type E. coli (W3110) (70).…”

Membrane Potential as a Regulation Mechanism of Periplasmic Nitrite Reductase Activity: A Mathematical Model

“…Согласно исследованиям [18], основная роль Hyd-3 гидрогеназы связана с наработкой молекулярного водорода (Н 2 ) при окислении формата Fdh-H дегидрогеназой. Экспрессия оперона hyc, кодирующего структуру Hyd-3, оптимальна в кислой области значений рН и в отсутствие глюкозы в среде [18,19].…”

“…Экспрессия оперона hyc, кодирующего структуру Hyd-3, оптимальна в кислой области значений рН и в отсутствие глюкозы в среде [18,19]. Показано также, что основным ферментом, потребляющим Н 2 в анаэробных условиях, является Hyd-2 гидрогеназа [18].…”

“…Экспрессия оперона hyc, кодирующего структуру Hyd-3, оптимальна в кислой области значений рН и в отсутствие глюкозы в среде [18,19]. Показано также, что основным ферментом, потребляющим Н 2 в анаэробных условиях, является Hyd-2 гидрогеназа [18]. Учитывая, что клетки E. coli в хемостате культивируются при слабокислом рН = 6.5 и низкой концентрации глюкозы в среде (2.25 мМ) [20], можно предположить наличие активности FHL-1 комплекса в условиях стационарного роста клеток в хемостате.…”

“…Известно, что константы Михаэлиса для Hyd-1 и Hyd-2 по отношению к водороду имеют на порядок более низкие значения (2-4 мкМ), чем Hyd3 (34 мкМ) [22,23,16], что создает реальную возможность утилизации H 2 в периплазме при появлении в среде акцепторов электронов, в частности, нитрита. Учитывая данные [18,24], согласно которым в анаэробных условиях in vivo Hyd-1 гидрогеназа не участвует в потреблении H 2 , выбор был остановлен на гидрогеназе Hyd-2, физиологические условия функционирования которой (рН опт ~ 6-8) [22] не исключают возможности ее участия в формировании респираторной цепи с NrfA редуктазой в глюкозо-лимитирующих условиях стационарного роста культуры в хемостате.…”