Shewanella oneidensis - Shewanella oneidensis

Shewanella oneidensis
Shewanella oneidensis.png
Научная классификация
Королевство:
Бактерии
Тип:
Протеобактерии
Класс:
Гаммапротеобактерии
Порядок:
Alteromonadales
Семья:
Shewanellaceae
Род:
Shewanella
Биномиальное имя
Shewanella oneidensis

Shewanella oneidensis это бактерия отличается своей способностью уменьшить ионы металлов и живут в средах с или без кислород. Эта протеобактерии был впервые изолирован от Озеро Онейда, NY в 1988 году, отсюда и его название.[1]

С. oneidensis это факультативная бактерия, способный выжить и размножаться как в аэробный и анаэробный условия. Особый интерес к С. oneidensis MR-1 вращается вокруг своего поведения в анаэробной среде, загрязненной тяжелые металлы такие как утюг, вести и уран. Эксперименты показывают, что он может восстанавливать ионную ртуть до элементарной ртути.[2] и ионное серебро в элементарное серебро.[3] Клеточное дыхание для этих бактерии однако не ограничивается тяжелыми металлами; бактерии также могут атаковать сульфаты, нитраты и хроматы при анаэробном выращивании.

имя

Этот вид упоминается как С. oneidensis MR-1, что означает «снижение содержания марганца», особенность этого организма. Распространенное заблуждение - думать, что MR-1 относится к «восстановлению металлов», а не к первоначальному намеченному «восстановлению марганца», как наблюдал Кеннет Х. Нилсон, который первым изолировал этот организм.

Качества

Восстановление металла

С. oneidensis MR-1 принадлежит к классу бактерий, известных как "Диссимиляционные металлоредуцирующие бактерии (DMRB) "из-за их способности связывать восстановление металлов с их метаболизмом. Способы восстановления металлов вызывают особые споры, поскольку исследования с использованием сканирующая электронная микроскопия и просвечивающая электронная микроскопия выявили аномальные структурные выступы, напоминающие бактериальные филаменты, которые, как считается, участвуют в восстановлении металла. Этот процесс образования внешней нити полностью отсутствует в обычном бактериальном дыхании и является центром многих современных исследований.

Механика устойчивости этой бактерии и использования ионов тяжелых металлов глубоко связана с сетью путей ее метаболизма. Предполагаемые переносчики мультилекарственного оттока, детоксикационные белки, экстрацитоплазматические сигма факторы и PAS домен Показано, что регуляторы обладают более высокой экспрессионной активностью в присутствии тяжелого металла. Цитохром с белок класса SO3300 также имеет повышенную транскрипцию.[4] Например, при восстановлении U (VI) специальные цитохромы, такие как MtrC и OmcA, используются для образования UO.2 наночастиц и связывают его с биополимерами.[5]

Химическая модификация

В 2017 году исследователи использовали синтетическую молекулу под названием DSFO + для модификации клеточных мембран в двух мутантных штаммах Шеванелла. DSFO + может полностью заменить естественные токопроводящие белки, увеличивая мощность, генерируемую микробом. Процесс представлял собой только химическую модификацию, которая не изменяла геном организма и была разделена между потомками бактерий, ослабляя эффект.[6]

Образование пелликул

Пелликула это разнообразие биопленка который образуется между воздухом и жидкостью, в которой растут бактерии.[7] В биопленке бактериальные клетки взаимодействуют друг с другом, чтобы защитить свое сообщество и метаболически взаимодействовать (сообщества микробов).[8] В С. oneidensis, образование пленки является типичным и связано с процессом восстановления тяжелых металлов. Формирование пелликулов широко изучено у этого вида. Пелликула обычно формируется в три этапа: клетки прикрепляются к тройной поверхности культурального устройства, воздуху и жидкости, затем формируется однослойная биопленка из исходных клеток и впоследствии созревает до сложной трехмерной структуры.[9] В развитой пленке ряд веществ между клетками (внеклеточные полимерные вещества) помогают поддерживать матрикс пленки. Процесс образования пленки включает значительную активность микробов и связанных с ними веществ. Для внеклеточных полимерных веществ требуется много белков и других биомакромолекул.

При этом также требуется много катионов металлов. EDTA контроль и обширные тесты на присутствие / отсутствие катионов показывают, что Ca (II), Mn (II), Cu (II) и Zn (II) все необходимы в этом процессе, вероятно, функционируя как часть кофермент или протезная группа. Mg (II) оказывает частичное действие, в то время как Fe (II) и Fe (III) в некоторой степени ингибируют. Считается, что жгутики способствуют образованию пленки. Биопленке необходимы бактериальные клетки, чтобы двигаться определенным образом, в то время как жгутики - это органеллы, выполняющие функцию локомотива.[10] Мутантные штаммы, лишенные жгутиков, все еще могут образовывать пленку, хотя и гораздо медленнее.

Приложения

Нанотехнологии

С. oneidensis MR-1 может изменять степень окисления металлов. Эти микробные процессы позволяют исследовать новые области применения, например, биосинтез металлических наноматериалов.[3] В отличие от химических и физических методов, микробные процессы синтеза наноматериалы может быть достигнута в водной фазе в щадящих и экологически безвредных условиях. Многие организмы можно использовать для синтеза металлических наноматериалов. С. oneidensis способен снижать количество различных ионов металлов внеклеточно, и это внеклеточное производство значительно облегчает извлечение наноматериалов. Цепи внеклеточного транспорта электронов, ответственные за перенос электронов через клеточные мембраны, относительно хорошо охарактеризованы, в частности цитохромы c-типа внешней мембраны MtrC и OmcA.[11] Исследование 2013 года показало, что можно изменить размер частиц и активность внеклеточных биогенных наночастиц с помощью контролируемой экспрессии генов, кодирующих поверхностные белки. Важный пример - синтез наночастица серебра от С. oneidensis, где на его антибактериальную активность может влиять экспрессия цитохромов c-типа внешней мембраны. Наночастицы серебра считаются новым поколением противомикробный поскольку они проявляют биоцидную активность по отношению к широкому кругу бактерий и приобретают все большее значение в связи с увеличением устойчивости патогенных бактерий к антибиотикам.[3] Shewanella было замечено в лабораторных условиях для биологического восстановления значительного количества палладий и дехлорирование около 70% полихлорированных дифенилов [12] Производство наночастиц С. oneidensis MR-1 тесно связаны с путем MTR[3] (например, наночастицы серебра) или гидрогеназа путь[13] (например, наночастицы палладия).

Очистки сточных вод

С. oneidensis'способность уменьшать и поглощать тяжелые металлы делает его кандидатом для использования в очистки сточных вод.[6]

DSFO + может позволить бактериям электрически связываться с электродом и генерировать электричество в системах очистки сточных вод.[6]

Геном

Таблица, показывающая аннотации гена S. oneidensis MR-1.

Как факультативный анаэроб с разветвлением путь переноса электронов, С. oneidensis считается модельный организм в микробиология. В 2002 году была опубликована его геномная последовательность. Он имеет 4,9МБ круговой хромосома который, как предполагается, кодирует 4758 белков открытые рамки для чтения. Он имеет 161 КБ плазмида со 173 открытыми рамками считывания.[14] Повторная аннотация была сделана в 2003 году.[15][16][17]

использованная литература

  1. ^ Venkateswaran, K .; Moser, D. P .; Доллхопф, М. Э .; Lies, D. P .; Саффарини, Д. А .; MacGregor, B.J .; Рингельберг, Д. Б.; Уайт, Д. С .; Nishijima, M .; Sano, H .; Burghardt, J .; Stackebrandt, E .; Нилсон, К. Х. (1999). «Полифазная таксономия рода Shewanella и описание Shewanella oneidensis sp. Nov». Международный журнал систематической бактериологии. 49 (2): 705–724. Дои:10.1099/00207713-49-2-705. ISSN  0020-7713. PMID  10319494.
  2. ^ Вятровски HA; Палата PM; Баркай Т. (2006). «Новое восстановление ртути (II) чувствительными к ртути диссимиляционными металлоредуцирующими бактериями». Экологические науки и технологии. 40 (21): 6690–6696. Bibcode:2006EnST ... 40,6690 Вт. Дои:10.1021 / es061046g. PMID  17144297.
  3. ^ а б c d Нг СК, Сивакумар К., Лю X, Мадхайян М., Джи Л., Ян Л., Тан С., Сонг Х, Кьеллеберг С., Цао Б. (2013). «Влияние цитохромов c-типа внешней мембраны на размер частиц и активность внеклеточных наночастиц, продуцируемых Shewanella oneidensis». Biotechnol. Bioeng. 110 (7): 1831–1837. Дои:10.1002 / бит.24856. PMID  23381725.
  4. ^ Беляев, А. С .; Klingeman, D. M .; Klappenbach, J. A .; Wu, L .; Romine, M. F .; Tiedje, J.M .; Nealson, K. H .; Фредриксон, Дж. К .; Чжоу, Дж. (2005). «Глобальный анализ транскриптома Shewanella oneidensis MR-1, подвергнутый воздействию различных концевых электронных акцепторов». Журнал бактериологии. 187 (20): 7138–7145. Дои:10.1128 / JB.187.20.7138-7145.2005. ISSN  0021-9193. ЧВК  1251602. PMID  16199584.
  5. ^ Уорд, Наоми; Маршалл, Мэтью Дж; Беляев Александр С; Дохналкова, Алиса С; Кеннеди, Дэвид В; Ши, Лян; и другие. (2006). «Цитохром-зависимое образование c-типа наночастиц U (IV) с помощью Shewanella oneidensis». PLOS Биология. 4 (8): e268. Дои:10.1371 / journal.pbio.0040268. ISSN  1545-7885. ЧВК  1526764. PMID  16875436.
  6. ^ а б c Ирвинг, Майкл (13 февраля 2017 г.). «Использование бактерий, вырабатывающих электричество, для очистки питьевой воды». newatlas.com. Получено 2017-02-13.
  7. ^ Лян, Или; Гао, Хайчунь; Чен, Цзинжун; Донг, Янъян; Ву, Линь; Он, Жили; Лю, Сюэдуань; Цю, Гуаньчжоу; Чжоу, Цзичжун (2010). «Образование пелликулов у Shewanella oneidensis». BMC Microbiology. 10 (1): 291. Дои:10.1186/1471-2180-10-291. ISSN  1471-2180. ЧВК  2995470. PMID  21080927.
  8. ^ Колтер, Роберто; Гринберг, Э. Питер (2006). «Микробиологические науки: поверхностная жизнь микробов». Природа. 441 (7091): 300–302. Bibcode:2006Натура.441..300К. Дои:10.1038 / 441300a. ISSN  0028-0836. PMID  16710410. S2CID  4430171.
  9. ^ Лимон, КП; Эрл, AM; Вламакис, ХК; Агилар, С; Колтер Р. "Разработка биопленок с упором на Bacillus subtilis". Бактериальные биопленки. 2008: 1–16. PMID  18453269.
  10. ^ Пратт, Лесли А .; Кольтер, Роберто (1998). «Генетический анализ образования пленки Escherichia colibi: роль жгутиков, подвижность, хемотаксис и пили типа I». Молекулярная микробиология. 30 (2): 285–293. Дои:10.1046 / j.1365-2958.1998.01061.x. ISSN  0950-382X. PMID  9791174.
  11. ^ Ши, Лян; Ричардсон, Дэвид Дж .; Ван, Чжэминь; Kerisit, Sebastien N .; Россо, Кевин М .; Захара, Джон М .; Фредриксон, Джеймс К. (август 2009 г.). «Роль цитохромов наружной мембраны Shewanella и Геобактер во внеклеточном переносе электронов ». Отчеты по микробиологии окружающей среды. 1 (4): 220–227. Дои:10.1111 / j.1758-2229.2009.00035.x. PMID  23765850.
  12. ^ Де Виндт W; Aelterman P; Verstraete W. (2005). «Биоредуктивное осаждение наночастиц палладия (0) на Shewanella oneidensis с каталитической активностью в отношении восстановительного дехлорирования полихлорированных дифенилов ». Экологическая микробиология. 7 (3): 314–325. Дои:10.1111 / j.1462-2920.2005.00696.x. PMID  15683392.
  13. ^ Нг, Чун Киат; Цай Тан, Тиан Коу; Песня, Хао; Цао, Бинь (2013). «Восстановительное образование наночастиц палладия с помощью Shewanella oneidensis: роль цитохромов и гидрогеназ внешней мембраны». RSC Advances. 3 (44): 22498. Дои:10.1039 / c3ra44143a. ISSN  2046-2069.
  14. ^ Гейдельберг, Джон Ф .; Полсен, Ян Т .; Нельсон, Карен Э .; Гайдос, Эрик Дж .; Нельсон, Уильям С .; Прочтите, Timothy D .; и другие. (2002). «Последовательность генома диссимиляционной бактерии, восстанавливающей ион металла, Shewanella oneidensis». Природа Биотехнологии. 20 (11): 1118–1123. Дои:10.1038 / nbt749. ISSN  1087-0156. PMID  12368813.
  15. ^ Daraselia, N .; Дерновой, Д .; Tian, ​​Y .; Бородовский, М .; Татусов, Р .; Татусова, Т. (2003). "Реаннотации генома Shewanella oneidensis". OMICS: журнал интегративной биологии. 7 (2): 171–175. Дои:10.1089/153623103322246566. ISSN  1536-2310. PMID  14506846.
  16. ^ Shewanella oneidensis Страница генома MR-1
  17. ^ Полный геном Shewanella oneidensis

внешние ссылки