Shewanella oneidensis - Shewanella oneidensis

Shewanella oneidensis
Shewanella oneidensis.png
Vědecká klasifikace
Království:
Bakterie
Kmen:
Proteobakterie
Třída:
Gammaproteobakterie
Objednat:
Alteromonadales
Rodina:
Shewanellaceae
Rod:
Shewanella
Binomické jméno
Shewanella oneidensis

Shewanella oneidensis je bakterie pozoruhodný jeho schopností snížit ionty kovů a žijí v prostředí s nebo bez kyslík. Tento proteobakterium byl poprvé izolován z Jezero Oneida, NY v roce 1988, odtud jeho název.[1]

S. oneidensis je fakultativní bakterie, schopné přežít a množit se v obou aerobní a anaerobní podmínky. Zvláštní zájem o S. oneidensis MR-1 se točí kolem jeho chování v anaerobním prostředí kontaminovaném těžké kovy jako žehlička, Vést a uran. Experimenty naznačují, že může redukovat iontovou rtuť na elementární rtuť[2] a iontové stříbro na elementární stříbro.[3] Buněčné dýchání pro tyto bakterie není omezen na těžké kovy; bakterie mohou také cílit sulfáty, dusičnany a chromáty při anaerobním pěstování.

název

Tento druh je označován jako S. oneidensis MR-1, označující „redukující mangan“, což je zvláštní vlastnost tohoto organismu. Je běžnou mylnou představou, že MR-1 odkazuje na „redukci kovů“ namísto původního zamýšleného „redukování manganu“, jak pozoroval Kenneth H. Nealson, který nejprve izoloval organismus.

Vlastnosti

Redukce kovů

S. oneidensis MR-1 patří do třídy bakterií známých jako „Disimilační bakterie snižující kov (DMRB) „kvůli jejich schopnosti spojit redukci kovů s jejich metabolismem. Způsoby redukce kovů jsou obzvláště kontroverzní, protože výzkum využívající rastrovací elektronová mikroskopie a transmisní elektronová mikroskopie odhalily abnormální strukturální výčnělky připomínající bakteriální vlákna, o nichž se předpokládá, že se podílejí na redukci kovů. Tento proces výroby vnějšího vlákna zcela chybí u konvenčního bakteriálního dýchání a je centrem mnoha současných studií.

Mechanika odolnosti této bakterie a použití iontů těžkých kovů úzce souvisí s webem její metabolické dráhy. Předpokládané víceúčelové efluxní transportéry, detoxikační proteiny, extracytoplazmatické sigma faktory a PAS doména Regulátory mají vyšší expresní aktivitu v přítomnosti těžkého kovu. Cytochrom c Třída proteinu SO3300 má také zvýšenou transkripci.[4] Například při redukci U (VI) se k tvorbě UO používají speciální cytochromy jako MtrC a OmcA2 nanočástice a spojovat je s biopolymery.[5]

Chemická modifikace

V roce 2017 vědci použili syntetickou molekulu nazvanou DSFO + k modifikaci buněčných membrán ve dvou mutantních kmenech Shewanella. DSFO + by mohl zcela nahradit přirozené proteiny, které vedou proud, a zvýšit tak sílu, kterou mikrob generoval. Tento proces byl pouze chemickou modifikací, která nezměnila genom organismu, a který byl rozdělen mezi potomky bakterií a účinek byl oslaben.[6]

Tvorba pelikul

Pellicle je řada biofilm který se tvoří mezi vzduchem a kapalinou, ve které rostou bakterie.[7] V biofilmu interagují bakteriální buňky navzájem, aby chránily svou komunitu a metabolicky spolupracovaly (mikrobiální komunity).[8] v S. oneidensis, je typická tvorba pelikul a souvisí s procesem redukce těžkých kovů. Tvorba pelikul je u tohoto druhu rozsáhle zkoumána. Pellicle se obvykle tvoří ve třech krocích: buňky se připojí k trojitému povrchu kultivačního zařízení, vzduchu a kapalině, poté se z počátečních buněk vyvine jednovrstvý biofilm a následně se zraje do komplikované trojrozměrné struktury.[9] Ve vyvinuté pelikuli pomáhá řada látek mezi buňkami (extracelulární polymerní látky) udržovat matrici pelikul. Proces tvorby pelikul zahrnuje významné mikrobiální aktivity a příbuzné látky. Pro extracelulární polymerní látky je zapotřebí mnoho proteinů a dalších bio-makromolekul.

V procesu je také zapotřebí mnoho kovových kationtů. EDTA kontrola a rozsáhlé testy na přítomnost / nepřítomnost kationů ukazují, že Ca (II), Mn (II), Cu (II) a Zn (II) jsou v tomto procesu zásadní, pravděpodobně fungují jako součást koenzym nebo protetická skupina. Mg (II) má částečný účinek, zatímco Fe (II) a Fe (III) jsou do jisté míry inhibiční. Má se za to, že bičíky přispívají k tvorbě pelikul. Biofilm potřebuje určitý pohyb bakteriálních buněk, zatímco bičíky jsou organely, které mají pohybovou funkci.[10] Mutantní kmeny postrádající bičíky mohou stále tvořit pelikuly, i když mnohem méně rychle.

Aplikace

Nanotechnologie

S. oneidensis MR-1 může změnit oxidační stav kovů. Tyto mikrobiální procesy umožňují zkoumat nové aplikace, například biosyntézu kovových nanomateriálů.[3] Na rozdíl od chemických a fyzikálních metod, mikrobiální procesy pro syntézu nanomateriály lze dosáhnout ve vodné fázi za šetrných a ekologických podmínek. Mnoho organismů může být použito k syntéze kovových nanomateriálů. S. oneidensis je schopen extracelulárně redukovat rozmanitou škálu kovových iontů a tato extracelulární produkce značně usnadňuje extrakci nanomateriálů. Extracelulární transportní řetězce elektronů odpovědné za přenos elektronů přes buněčné membrány jsou poměrně dobře charakterizovány, zejména cytochromy M-CC a OmcA vnější membrány c.[11] Studie z roku 2013 naznačuje, že je možné měnit velikost částic a aktivitu extracelulárních biogenních nanočástic prostřednictvím řízené exprese genů kódujících povrchové proteiny. Důležitým příkladem je syntéza nanočástice stříbra podle S. oneidensis, kde jeho antibakteriální aktivita může být ovlivněna expresí cytochromů typu c vnější membrány. Nanočástice stříbra jsou považovány za novou generaci antimikrobiální protože vykazují biocidní aktivitu vůči široké škále bakterií a získávají na důležitosti se zvyšující se rezistencí patogenních bakterií na antibiotika.[3] Shewanella bylo v laboratorních podmínkách pozorováno bioredukování podstatného množství palladium a dechlorinát u 70% polychlorovaných bifenylů [12] Výroba nanočástic pomocí S. oneidensis MR-1 jsou úzce spojeny s cestou MTR[3] (např. nanočástice stříbra) nebo hydrogenáza cesta[13] (např. nanočástice palladia).

Čištění odpadních vod

S. oneidensis„schopnost redukovat a absorbovat těžké kovy z něj činí kandidáta pro použití v čištění odpadních vod.[6]

DSFO + by mohl umožnit bakteriím elektricky komunikovat s elektrodou a vyrábět elektřinu v aplikaci odpadních vod.[6]

Genom

Tabulka ukazující anotace genu S. oneidensis MR-1.

Jako fakultativní anaerobní s větvením elektronová transportní dráha, S. oneidensis je považován za modelový organismus v mikrobiologie. V roce 2002 byla zveřejněna jeho genomová sekvence. Má 4,9Mb oběžník chromozóm o kterém se předpokládá, že kóduje 4,758 proteinu otevřené čtecí rámce. Má 161 kB plazmid se 173 otevřenými čtecími rámečky.[14] V roce 2003 byla provedena anotace.[15][16][17]

Reference

  1. ^ Venkateswaran, K .; Moser, D. P .; Dollhopf, M. E .; Lies, D. P .; Saffarini, D. A .; MacGregor, B. J .; Ringelberg, D. B .; White, D. C .; Nishijima, M .; Sano, H .; Burghardt, J .; Stackebrandt, E .; Nealson, K.H. (1999). „Polyfázická taxonomie rodu Shewanella a popis Shewanella oneidensis sp. Nov“. International Journal of Systematic Bacteriology. 49 (2): 705–724. doi:10.1099/00207713-49-2-705. ISSN  0020-7713. PMID  10319494.
  2. ^ Wiatrowski HA; Ward PM; Barkay T. (2006). „Nová redukce rtuti (II) bakteriemi redukujícími kovy citlivými na rtuť“. Věda o životním prostředí a technologie. 40 (21): 6690–6696. Bibcode:2006EnST ... 40,6690 W.. doi:10.1021 / es061046g. PMID  17144297.
  3. ^ A b C d Ng CK, Sivakumar K, Liu X, Madhaiyan M, Ji L, Yang L, Tang C, Song H, Kjelleberg S, Cao B (2013). „Vliv cytochromů typu c vnější membrány na velikost částic a aktivitu extracelulárních nanočástic produkovaných Shewanella oneidensis“. Biotechnol. Bioeng. 110 (7): 1831–1837. doi:10,1002 / bit. 24856. PMID  23381725.
  4. ^ Beliaev, A. S .; Klingeman, D. M .; Klappenbach, J. A .; Wu, L .; Romine, M. F .; Tiedje, J. M .; Nealson, K. H .; Fredrickson, J. K .; Zhou, J. (2005). „Globální transkriptomová analýza Shewanella oneidensis MR-1 vystavená různým terminálovým elektronovým akceptorům“. Journal of Bacteriology. 187 (20): 7138–7145. doi:10.1128 / JB.187.20.7138-7145.2005. ISSN  0021-9193. PMC  1251602. PMID  16199584.
  5. ^ Ward, Naomi; Marshall, Matthew J; Beliaev, Alexander S; Dohnalková, Alice C; Kennedy, David W; Shi, Liang; et al. (2006). "Tvorba U (IV) nanočástic závislých na cytochromu typu Shewanella oneidensis". PLOS Biology. 4 (8): e268. doi:10.1371 / journal.pbio.0040268. ISSN  1545-7885. PMC  1526764. PMID  16875436.
  6. ^ A b C Irving, Michael (13. února 2017). „Využití bakterií produkujících elektřinu k čištění pitné vody“. newatlas.com. Citováno 2017-02-13.
  7. ^ Liang, Yili; Gao, Haichun; Chen, Jingrong; Dong, Yangyang; Wu, Lin; On, Zhili; Liu, Xueduan; Qiu, Guanzhou; Zhou, Jizhong (2010). "Tvorba pelikul v Shewanella oneidensis". Mikrobiologie BMC. 10 (1): 291. doi:10.1186/1471-2180-10-291. ISSN  1471-2180. PMC  2995470. PMID  21080927.
  8. ^ Kolter, Roberto; Greenberg, E. Peter (2006). „Mikrobiální vědy: povrchní život mikrobů“. Příroda. 441 (7091): 300–302. Bibcode:2006Natur.441..300K. doi:10.1038 / 441300a. ISSN  0028-0836. PMID  16710410. S2CID  4430171.
  9. ^ Lemon, KP; Earl, AM; Vlamakis, HC; Aguilar, C; Kolter, R. "Vývoj biofilmu s důrazem na Bacillus subtilis". Bakteriální biofilmy. 2008: 1–16. PMID  18453269.
  10. ^ Pratt, Leslie A .; Kolter, Roberto (1998). "Genetická analýza vzniku Escherichia colibiofilm: role bičíků, motility, chemotaxe a typu I". Molekulární mikrobiologie. 30 (2): 285–293. doi:10.1046 / j.1365-2958.1998.01061.x. ISSN  0950-382X. PMID  9791174.
  11. ^ Shi, Liang; Richardson, David J .; Wang, Zheming; Kerisit, Sebastien N .; Rosso, Kevin M .; Zachara, John M .; Fredrickson, James K. (srpen 2009). "Úlohy cytochromů vnější membrány z Shewanella a Geobacter v přenosu extracelulárních elektronů ". Zprávy o mikrobiologii životního prostředí. 1 (4): 220–227. doi:10.1111 / j.1758-2229.2009.00035.x. PMID  23765850.
  12. ^ De Windt W; Aelterman P; Verstraete W. (2005). "Bioreduktivní depozice nanočástic palladia (0) na Shewanella oneidensis s katalytickou aktivitou směrem k redukční dechloraci polychlorovaných bifenylů “. Mikrobiologie prostředí. 7 (3): 314–325. doi:10.1111 / j.1462-2920.2005.00696.x. PMID  15683392.
  13. ^ Ng, Chun Kiat; Cai Tan, Tian Kou; Song, Hao; Cao, Bin (2013). „Reduktivní tvorba nanočástic palladia Shewanella oneidensis: role cytochromů a hydrogenáz vnější membrány“. RSC zálohy. 3 (44): 22498. doi:10.1039 / c3ra44143a. ISSN  2046-2069.
  14. ^ Heidelberg, John F .; Paulsen, Ian T .; Nelson, Karen E .; Gaidos, Eric J .; Nelson, William C .; Přečtěte si, Timothy D .; et al. (2002). "Genomová sekvence disimilační bakterie Shewanella oneidensis snižující ionty kovů". Přírodní biotechnologie. 20 (11): 1118–1123. doi:10.1038 / nbt749. ISSN  1087-0156. PMID  12368813.
  15. ^ Daraselia, N .; Dernovoy, D .; Tian, ​​Y .; Borodovsky, M .; Tatusov, R .; Tatusová, T. (2003). "Reannotation of Shewanella oneidensisGenome". OMICS: Journal of Integrative Biology. 7 (2): 171–175. doi:10.1089/153623103322246566. ISSN  1536-2310. PMID  14506846.
  16. ^ Shewanella oneidensis Stránka genomu MR-1
  17. ^ Celý genom Shewanella oneidensis

externí odkazy