Cupriavidus necator - Cupriavidus necator - Wikipedia

Cupriavidus necator
Cupriavidus necator.jpg
Vědecká klasifikace
Doména:
Bakterie
Kmen:
Proteobakterie
Třída:
Betaproteobakterie
Objednat:
Burkholderiales
Rodina:
Burkholderiaceae
Rod:
Cupriavidus
Druh:
C. necator
Binomické jméno
Cupriavidus necator
(Davis 1969) Yabuuchi et al. 1996
Synonyma

Ralstonia eutropha

Cupriavidus necator je Gramnegativní půda bakterie třídy Betaproteobakterie.[1]

Taxonomie

Cupriavidus necator prošel řadou změn jmen. V první polovině 20. století bylo mnoho mikroorganismů izolováno pro svou schopnost využívat vodík. Metabolizuje vodík chemolithotrophic organismy byly seskupeny do skupiny Hydrogenomonas.[2] C. necator byl původně pojmenován Hydrogenomonas eutrophus protože to spadalo pod Hydrogenomonas klasifikace a byla „dobře vyživovaná a robustní“.[3] Některé z originálu H. eutrophus izolované kultury byly od Bovell a Wilde.[4][5] Po charakterizaci buněčná morfologie, metabolismus a Obsah GC, Hydrogenomonas nomenklatura byla rozpuštěna, protože obsahovala mnoho druhů mikroorganismů.[2] H. eutrophus byl poté přejmenován Alcaligenes eutropha protože to byl mikroorganismus se zdegenerovaným peritrichem bičování.[3][6] Vyšetřování fenotyp, lipid složení, mastné kyseliny složení a 16S rRNA analýza, A. eutropha bylo zjištěno, že patří do rodu Ralstonia a pojmenovaný Ralstonia eutropha.[1] Při dalším studiu rodu Ralstonia Bylo zjištěno, že obsahuje dva fenotypicky odlišné shluky. Nový rod Wautersia byl vytvořen z jednoho z těchto klastrů, který zahrnoval R. eutropha. Na oplátku R. eutropha byl přejmenován Wautersia eutropha.[7] Při pohledu na Hybridizace DNA-DNA a fenotypové srovnání s Cupriavidus necator, W. eutropha Bylo zjištěno, že jde o stejný druh, jak bylo popsáno výše C. necator. Protože C. necator byl pojmenován v roce 1987 dlouho před změnou názvu na R. eutropha a W. eutropha, název C. necator byl přidělen R. eutropha podle článku 23a jednacího řádu Mezinárodní kód nomenklatury bakterií.[8]

Metabolismus

Cupriavidus necator je bakterie oxidující vodík (Bakterie „knallgas“) schopná růstu na rozhraní anaerobního a aerobního prostředí. Může se snadno přizpůsobit mezi heterotrofní a autotrofní životní styl. Jako zdroj energie lze použít organické sloučeniny i vodík[9] C. necator může hrát aerobní nebo anaerobní dýchání podle denitrifikace dusičnanu a / nebo dusitanu na plynný dusík.[10] Při pěstování v autotrofních podmínkách C. necator fixuje uhlík přes reduktivní pentóza fosfátová cesta.[11] Je známo, že vyrábí a sekvestruje polyhydroxyalkanoát (PHA) plasty, jsou-li vystaveny nadměrnému množství cukrového substrátu. PHA se může akumulovat na úrovně kolem 90% suché hmotnosti buňky.[12] Abychom lépe charakterizovali životní styl C. necator, genomy ze dvou kmenů byly seřazeno.[9][13]

Hydrogenázy

Cupriavidus necator může používat plynný vodík jako zdroj energie, když roste v autotrofních podmínkách. Obsahuje čtyři různé hydrogenázy které mají [Ni-Fe] aktivní místa a všichni provádějí tuto reakci:[14][15]

H2 2H+ + 2e−

Hydrogenázy z C. necator jsou jako jiné typické [Ni-Fe] hydrogenázy, protože jsou tvořeny velkou a malou podjednotkou. Velká podjednotka je místem, kde se nachází aktivní místo [Ni-Fe] a z níž se skládá malá podjednotka [Fe-S] klastry.[16] Hydrogenázy z C. necator se liší od typických [Ni-Fe] hydrogenáz, protože jsou tolerantní ke kyslíku a nejsou inhibovány CO.[14] Zatímco čtyři hydrogenázy provádějí v buňce stejnou reakci, každá hydrogenáza je spojena s jiným buněčným procesem. Rozdíly mezi regulační hydrogenázou, membránově vázanou hydrogenázou, rozpustnou hydrogenázou a aktinobakteriální hydrogenázou v C. necator jsou popsány níže.

Regulační hydrogenáza

První hydrogenáza je regulační hydrogenáza (RH), která do buňky signalizuje přítomnost vodíku. RH je protein obsahující velké a malé podjednotky [Ni-Fe] hydrogenázy připojené k a histidinkin kináza podjednotka.[17] Plynný vodík se oxiduje ve středu [Ni-Fe] ve velké podjednotce a zase redukuje [Fe-S] klastry v malé podjednotce. Není známo, zda jsou elektrony přenášeny z klastrů [Fe-S] do domény proteinkinázy.[14] Histidinkininkináza aktivuje a regulátor odezvy. Regulátor odezvy je aktivní v defosforylované formě. Regulátor defosforylované reakce podporuje transkripci membránově vázané hydrogenázy a rozpustné hydrogenázy.[18]

Membránově vázaná hydrogenáza

Hydrogenáza vázaná na membránu (MBH) je spojena s dýchací řetězec prostřednictvím konkrétního cytochrom b související protein v C. necator.[19] Plynný vodík se oxiduje na aktivním místě [Ni-Fe] ve velké podjednotce a elektrony se převádějí přes [Fe-S] klastry v malé podjednotce na protein podobný cytochromu b.[14] MBH je umístěn na vnější straně cytoplazmatická membrána. Obnovuje energii pro buňku tím, že přenáší elektrony do dýchacího řetězce a zvyšuje protonový gradient.[19] MBH v C. necator není inhibován CO a je tolerantní ke kyslíku.[20]

NAD + redukující hydrogenáza

Hydrogenáza snižující NAD + (rozpustná hydrogenáza, SH) vytváří a NADH -snížení ekvivalence oxidací plynného vodíku. SH je a heterohexamerní protein[21] se dvěma podjednotkami tvořícími velkou a malou podjednotku [Ni-Fe] hydrogenázy a dalšími dvěma podjednotkami obsahujícími reduktázový modul podobný jednomu z Komplex I..[22] Aktivní místo [Ni-Fe] oxiduje plynný vodík, který přenáší elektrony na a FMN-a kofaktor, poté na [Fe-S] klastrové relé malé podjednotky hydrogenázy a reduktázového modulu, poté na další kofaktor FMN-b a nakonec na NAD+.[14] Redukční ekvivalence se poté použijí k fixaci oxidu uhličitého, když C. necator roste autotrofně.

Aktivní stránka SH SH C. necator H16 byl rozsáhle studován, protože C. necator H16 může být produkován ve velkém množství, může být geneticky manipulován a může být analyzován spektrografické techniky. V současné době však není k dispozici žádná krystalová struktura C. necator H16 rozpustná hydrogenáza v přítomnosti kyslíku ke stanovení interakcí aktivního místa se zbytkem proteinu.[14]

Typické anaerobní [Ni-Fe] hydrogenázy

[Ni-Fe] hydrogenáza z Desulfovibrio vulgaris a D. gigas mají navzájem podobné proteinové struktury a představují typické [Ni-Fe] hydrogenázy.[14][23][24][25] Velká podjednotka obsahuje aktivní místo [Ni-Fe] pohřbené hluboko v jádru proteinu a malá podjednotka obsahuje [Fe-S] klastry. Atom Ni je koordinovaný k Desulfovibrio hydrogenase o 4 cystein ligandy. Dva z těchto stejných cysteinových ligandů také přemosťují Fe aktivního místa [Ni-Fe].[23][24] Atom Fe také obsahuje tři ligandy, jeden CO a dva CN které dokončují aktivní web.[26] Tyto další ligandy mohou přispívat k reaktivitě nebo pomáhat stabilizovat atom Fe v oxidačním stavu s nízkou rotací +2.[23] Typické [NiFe] hydrogenázy podobné těm z D. vulgaris a D. gigas jsou otráveny kyslíkem, protože atom kyslíku se silně váže na aktivní místo NiFe.[20]

C. necator kyslík tolerantní SH

SH dovnitř C. necator jsou jedinečné pro jiné organismy, protože jsou odolné vůči kyslíku.[27] Aktivní místo SH bylo studováno, aby se zjistilo, proč je tento protein tolerantní ke kyslíku. Nedávná studie ukázala, že tolerance vůči kyslíku implementovaná v SH je založena na kontinuální katalyticky řízené detoxikaci O2 [chybí]. Geny kódující tento SH mohou být up-regulovány za podmínek heterotrofního růstu za použití glycerolu v růstovém médiu [28] a to umožňuje aerobní produkci a čištění stejného enzymu.[29]

Aplikace

Kyslík-tolerantní hydrogenázy z C. necator byly studovány pro různé účely. C. necator byl studován jako atraktivní organismus, který pomáhá podporovat život ve vesmíru. Může opravit oxid uhličitý jako zdroj uhlíku, použít močovina v moči jako zdroj dusíku a pomocí vodíku jako zdroje energie vytvoříte husté kultury, které lze použít jako zdroj bílkovin.[30][31]

Elektrolýza vody je jedním ze způsobů vytváření kyslíkové atmosféry ve vesmíru a C. necator byl zkoumán recyklovat vodík produkovaný během tohoto procesu.[32]

K výzkumu biopaliv se používají hydrogenázy tolerantní vůči kyslíku. Hydrogenázy z C. necator byly použity k potažení povrchů elektrod za účelem vytvoření vodíku palivové články tolerantní ke kyslíku a oxidu uhelnatému[20] a navrhnout výrobu vodíku světelné komplexy.[33] Kromě toho, hydrogenázy z C. necator byly použity k výrobě vodíkových senzorů.[34] Geneticky modifikovaný C. necator může vyrábět isobutanol z CO
2 které lze přímo nahradit nebo smíchat s benzín. Organismus emituje isobutanol, aniž by musel být zničen, aby jej získal.[35]

Průmyslové použití

Vědci z UCLA geneticky modifikovali kmen tohoto druhu C. necator (dříve známý jako R. eutropha H16) k výrobě isobutanolu z CO2 surovina využívající elektřinu vyrobenou solárním článkem. Projekt financovaný americkým energetickým oddělením má potenciálně vysokou energetickou hustotu elektropalivo která by mohla použít stávající infrastrukturu k nahrazení ropy jako paliva pro dopravu.[36]

Reference

  1. ^ A b Yabuuchi; et al. (1995). "Převod dvou Burkholderia a Alkaligeny druhy do Ralstonia gen. listopad: návrh Ralstonia pickettii (Ralston, Palleroni a Doudoroff 1973) komb. listopad., Ralstonia solanacearum (Smith 1896) hřeben. listopad. a Ralstonia eutropha (Davis 1969) hřeben. listopad". Microbiol Immunol. 39 (11): 897–904. doi:10.1111 / j.1348-0421.1995.tb03275.x. PMID  8657018.
  2. ^ A b Davis, D .; Doudoroff, M. & Stanier, R. (1969). „Návrh na odmítnutí rodu Hydrogenomonas: Taxonomické důsledky ". Int J Syst Bacteriol. 19 (4): 375–390. doi:10.1099/00207713-19-4-375.
  3. ^ A b Bowien, B .; Schlegel, H. (1981). „Fyziologie a biochemie aerobních bakterií oxidujících vodík“. Annu. Rev. Microbiol. 35: 405–452. doi:10.1146 / annurev.mi.35.100181.002201. PMID  6271040.
  4. ^ Repaske, R. (1981). "Nutriční požadavky proHydrogenomonas eutropha". J. Bacteriol. 83 (2): 418–422. doi:10.1128 / JB.83.2.418-422.1962. PMC  277745. PMID  14491520.
  5. ^ Wilde, E. (1962). „Untersuchungen über Wachstum und Speicherstoffsynthese von Hydrogenomonas eutropha". Archiv für Mikrobiologie. 43 (2): 109–137. doi:10.1007 / bf00406429.
  6. ^ Davis, D .; Stanier, R. & Doudoroff, M. (1970). „Taxonomické studie u některých gramnegativních polárních bičíků“Vodíkové bakterie"a příbuzné druhy". Oblouk. Mikrobiol. 70 (1): 1–13. doi:10.1007 / BF00691056. PMID  4987616.
  7. ^ Vaneechoutte, M .; Kampfer, P .; De Baere, T .; Falsen, E. a Verschraegen, G. (2004). "Wautersia gen. nov., nový rod přizpůsobený fylogenetické linii včetně Ralstonia eutropha a příbuzné druhy a návrh Ralstonia [Pseudomonas] syzygii(Roberts et al. 1990) comb. listopad". International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 54 (Pt 2): 317–327. doi:10.1099 / ijs.0.02754-0. PMID  15023939.
  8. ^ Vandamme, P .; Coenye, T. (2004). „Taxonomie rodu Cupriavidus: příběh ztracených a nalezených ". International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 54 (6): 2285–2289. doi:10.1099 / ijs.0.63247-0. PMID  15545472.
  9. ^ A b Pohlmann, A .; Fricke, W .; Reinecke, F .; Kusian, B .; Liesegang, H .; Cramm, R .; Eitinger, T .; Ewering, C .; Potter, M .; Schwartz, E .; Strittmatter, A .; Vob, I .; Gottschalk, G .; Steinbuchel, A .; Friedrich, B. & Bowien, B. (2006). „Sekvence genomu produkující bioplasty Knallgas bakterie Ralstonia eutropha H16 ". Přírodní biotechnologie. 24 (10): 1257–1262. doi:10.1038 / nbt1244. PMID  16964242.
  10. ^ Cramm, R. (2009). "Genomický pohled na energetický metabolismus v roce 2006" Ralstonia eutropha H16 ". J Mol Microbiol Biotechnol. 16 (1–2): 38–52. doi:10.1159/000142893. PMID  18957861.
  11. ^ Bowien, B .; Kusian, B. (2002). „Genetika a řízení asimilace CO2 v chemoautotrofu Ralstonia eutropha". Arch Microbiol. 178 (2): 85–93. doi:10.1007 / s00203-002-0441-3. PMID  12115053.
  12. ^ Spiekermann, P .; Rehm, B .; Kalscheuer, R .; Baumeister, D. & Steinbuchel A. (1999). „Citlivá metoda barvení životaschopných kolonií s použitím nilské červeně pro přímý screening bakterií, které akumulují polyhydroxyalkanové kyseliny a další lipidové zásobní sloučeniny“. Arch Microbiol. 171 (2): 73–80. doi:10,1007 / s002030050681. PMID  9914303.
  13. ^ Lykidis, A .; Perez-Pantoja, D .; Ledger, T .; Marvomatis, K .; Anderson, I .; Ivanova, N .; Hooper, S .; Lapidus, A .; Lucas, A .; Gonzalez, B. & Kyrpides, N. (2010). Ahmed, Niyaz (ed.). "Kompletní sekvence vícečetných genomů Cupriavidus necator JMP134, univerzální odbourávač znečišťujících látek ". PLOS ONE. 5 (3): 1–13. doi:10.1371 / journal.pone.0009729. PMC  2842291. PMID  20339589.
  14. ^ A b C d E F G Burgdorf, T .; Buhrke, T .; van der Linden, E .; Jones, A .; Albracht, S. & Friedrich, B. (2005). „[NiFe] -Hydrogenázy z Ralstonia eutropha H16: Modulární enzymy pro kyslíkovou tolerantní biologickou oxidaci vodíku “. J Mol Microbiol Biotechnol. 10 (2–4): 181–196. doi:10.1159/000091564. PMID  16645314.
  15. ^ Schäfer, Caspar; Friedrich, Bärbel; Lenz, Oliver (1. září 2013). „Novinka, na kyslík necitlivá skupina 5 [NiFe] -hydrogenáza v Ralstonia eutropha“. Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 79 (17): 5137–5145. doi:10.1128 / AEM.01576-13. PMC  3753944. PMID  23793632.
  16. ^ Schwartz, E .; Friedrich, B. (2006). „Prokaryoty metabolizující H2“. Prokaryotes. 2: 496–563. doi:10.1007/0-387-30742-7_17. ISBN  978-0-387-25492-0.
  17. ^ Lenz, O .; Friedrich, B. (1998). „Nový vícesložkový regulační systém zprostředkovává snímání H2 v systému Alcaligenes eutrophus". PNAS. 95 (21): 12474–12479. doi:10.1073 / pnas.95.21.12474. PMC  22855. PMID  9770510.
  18. ^ Friedrich, B .; Buhrke, T. & Burgdorf, T. (2005). „Multiproteinový komplex snímající vodík řídí aerobní metabolismus vodíku Ralstonia eutropha". Transakce s biochemickou společností. 33 (Pt 1): 97–101. doi:10.1042 / BST0330097. PMID  15667276.
  19. ^ A b Bernhard, M .; Benelli, B .; Hochkoeppler, A .; Zannoni, D. & Friedrich, B. (1997). „Funkční a strukturální role podjednotky cytochromu b komplexu hydrogenázy vázaného na membránu Alcaligenes eutrophus H16 ". Eur. J. Biochem. 248 (1): 179–186. doi:10.1111 / j.1432-1033.1997.00179.x. PMID  9310376.
  20. ^ A b C Vincent, K .; Cracknell, J .; Lenz, O .; Zebger, I .; Friedrich, B. & Armstrong, F. (2005). „Elektrokatalytická oxidace vodíku enzymem při vysokých hladinách oxidu uhelnatého nebo kyslíku“. PNAS. 102 (47): 16951–16954. doi:10.1073 / pnas.0504499102. PMC  1287975. PMID  16260746.
  21. ^ Schneider, K .; Schlegel, H. (1976). "Čištění a vlastnosti rozpustné hydrogenázy z Alcaligenes eutrophus H 16 ". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Enzymologie. 452 (1): 66–80. doi:10.1016/0005-2744(76)90058-9. PMID  186126.
  22. ^ Tran-Betcke, A .; Warnecke, U .; Bocker, C .; Zaborosch, C. & Friedrich, B. (1990). „Klonovací a nukleotidové sekvence genů pro podjednotky NAD-redukující hydrogenázy Alcaligenes eutrophus H16 ". Journal of Bacteriology. 172 (6): 2920–2929. doi:10.1128 / jb.172.6.2920-2929.1990. PMC  209089. PMID  2188945.
  23. ^ A b C Higuchi,.; Yagi, T. a Yasuoka, N. (1997). „Neobvyklá struktura ligandu v aktivním centru Ni – Fe a další místo Mg v hydrogenáze odhalené rentgenovou strukturní analýzou s vysokým rozlišením“. Struktura. 5 (12): 1671–1680. doi:10.1016 / S0969-2126 (97) 00313-4. PMID  9438867.
  24. ^ A b Volbeda, A .; Garcin, E .; Piras, C .; de Lacey, A .; Fernandez, V .; Hatchikian, C .; Frey, M. & Fontecilla-Camps, J. (1996). „Struktura aktivního místa [NiFe] hydrogenázy: důkazy o biologicky neobvyklých Fe ligandech“. J. Am. Chem. Soc. 118 (51): 12989–12996. doi:10.1021 / ja962270g.
  25. ^ Volbeda, A .; Charon, M .; Piras, C .; Hatchikian, C .; Frey, M. & Fontecilla-Camps, J. (1995). "Krystalová struktura nikl-železné hydrogenázy z Desulfovibrio gigas". Příroda. 373 (6515): 580–587. doi:10.1038 / 373580a0. PMID  7854413.
  26. ^ Happe, R .; Roseboom, W .; Pierik, A. & Albracht, S. (1997). "Biologická aktivace vodíku". Příroda. 385 (6612): 126. doi:10.1038 / 385126a0. PMID  8990114.
  27. ^ Schneider, K .; Cammack, R .; Schlegel, G. & Hall, D. (1979). „Železo-sirná centra rozpustné hydrogenázy z Alcaligenes eutrophus". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - proteinová struktura. 578 (2): 445–461. doi:10.1016/0005-2795(79)90175-2. PMID  226163.
  28. ^ Jugder, Bat-Erdene; Chen, Zhiliang; Ping, Darren Tan Tek; Lebhar, Helene; Welch, Jeffrey; Markýz, Christopher P. (2015-03-25). „Analýza změn rozpustné hydrogenázy a globální genové exprese v Cupriavidus necator (Ralstonia eutropha) H16 pěstovaných v heterotrofní diauxické vsádkové kultuře“. Továrny na mikrobiální buňky. 14 (1): 42. doi:10.1186 / s12934-015-0226-4. ISSN  1475-2859. PMC  4377017. PMID  25880663.
  29. ^ Jugder, Bat-Erdene; Lebhar, Helene; Aguey-Zinsou, Kondo-Francois; Markýz, Christopher P. (2016). „Výroba a čištění rozpustné hydrogenázy z Ralstonia eutropha H16 pro aplikace potenciálních vodíkových palivových článků“. Metody X. 3: 242–250. doi:10.1016 / j.mex.2016.03.005. ISSN  2215-0161. PMC  4816682. PMID  27077052.
  30. ^ Repaske, R .; Mayer, R. (1976). "Husté autotrofní kultury Alcaligenes eutrophus". Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 32 (4): 592–597. doi:10.1128 / AEM.32.4.592-597.1976. PMC  170312. PMID  10840.
  31. ^ Ammann, E .; Reed, L. (1967). "Metabolismus sloučenin dusíku hydrogenomonas eutropha". Biochim. Biophys. Acta. 141 (1): 135–143. doi:10.1016/0304-4165(67)90252-8. PMID  4963807.
  32. ^ Foster, J .; Litchfield, J. (1964). „Zařízení pro kontinuální kultivaci pro mikrobiální využití vodíku produkovaného elektrolýzou vody v kosmických systémech s uzavřeným cyklem“. Biotechnologie a bioinženýrství. 6 (4): 441–456. doi:10,1002 / bit. 260060406.
  33. ^ Ihara, M .; Mishihara, H .; Yoon, K .; Lenz, O .; Friedrich, B .; Nakamoto, H .; Kojima, K .; Honoma, D .; Kamachi, T. & Okura, I. (2006). „Produkce vodíku řízená světlem hybridním komplexem [NiFe] -hydrogenázy a cyanobakteriálního fotosystému I“. Fotochemie a fotobiologie. 82 (3): 676–682. doi:10.1562 / 2006-01-16-RA-778. PMID  16542111.
  34. ^ Lutz, B .; Fan, H .; Burgdorf, T. & Friedrich, B. (2005). "Snímání vodíku pomocí enzymem katalyzované elektrochemické detekce". Anální. Chem. 77 (15): 4969–4975. doi:10.1021 / ac050313i. PMID  16053311.
  35. ^ „Výuka mikrobů na výrobu paliva - zpravodajská kancelář MIT“. Web.mit.edu. Citováno 2012-08-22.
  36. ^ Li, H .; Opgenorth, P. H .; Wernick, D. G .; Rogers, S .; Wu, T.-Y .; Higashide, W .; Malati, P .; Huo, Y.-X .; Cho, K. M .; Liao, J. C. (2012). „Integrovaná elektromikrobiální přeměna CO2 na vyšší alkoholy“. Věda. 335 (6076): 1596. doi:10.1126 / science.1217643. PMID  22461604.

externí odkazy