Cupriavidus necator - грамотрицательная почвенная бактерия класса Betaproteobacteria . [1]
Cupriavidus necator | |
---|---|
Научная классификация | |
Домен: | |
Тип: | |
Класс: | |
Заказ: | |
Семья: | |
Род: | |
Разновидность: | C. некатор |
Биномиальное имя | |
Cupriavidus necator (Davis 1969) Yabuuchi et al. 1996 г. | |
Синонимы | |
Ralstonia eutropha |
Таксономия
Название Cupriavidus necator было изменено . В первой половине 20 века многие микроорганизмы были изолированы из-за их способности использовать водород. Хемолитотрофные организмы, метаболизирующие водород, были объединены в группу Hydrogenomonas . [2] C. necator первоначально был назван Hydrogenomonas eutrophus, потому что он подпадал под классификацию Hydrogenomonas и был «хорошо питаемым и крепким». [3] Некоторые из исходных выделенных культур H. eutrophus были созданы Бовеллом и Уайльдом. [4] [5] После описания морфологии клеток , метаболизма и содержания GC , номенклатура Hydrogenomonas была расформирована, поскольку она включала множество видов микроорганизмов. [2] H. eutrophus был затем переименован в Alcaligenes eutropha, потому что это был микроорганизм с дегенерированным перитрихозным жгутиком . [3] [6] Изучая фенотип , липидный состав, состав жирных кислот и анализ 16S рРНК , было обнаружено , что A. eutropha принадлежит к роду Ralstonia и названа Ralstonia eutropha . [1] При дальнейшем изучении этого рода было обнаружено , что Ralstonia включает два фенотипически различных кластера. Новый род Wautersia был создан на основе одного из этих кластеров, в который вошли R. eutropha . В свою очередь R. eutropha была переименована в Wautersia eutropha . [7] Глядя на гибридизацию ДНК-ДНК и сравнение фенотипа с Cupriavidus necator , было обнаружено , что W. eutropha принадлежит к тому же виду, что и ранее описанный C. necator . Поскольку C. necator был назван в 1987 году, задолго до изменения названия на R. eutropha и W. eutropha , название C. necator было присвоено R. eutropha в соответствии с Правилом 23a Международного кодекса номенклатуры бактерий . [8]
Метаболизм
Cupriavidus necator - это бактерия, окисляющая водород ( бактерия knallgas), способная расти на границе анаэробной и аэробной сред. Он может легко адаптироваться между гетеротрофным и автотрофным образом жизни. В качестве источника энергии могут использоваться как органические соединения, так и водород [9] C. necator может выполнять аэробное или анаэробное дыхание путем денитрификации нитрата и / или нитрита до газообразного азота. [10] При росте в автотрофных условиях C. necator связывает углерод посредством восстановительного пентозофосфатного пути . [11] Известно, что при воздействии избыточного количества сахарного субстрата производятся и изолируются полигидроксиалканоатные (ПГА) пластмассы. PHA может накапливаться до уровня около 90% от сухой массы клетки. [12] Чтобы лучше охарактеризовать образ жизни C. necator , геномы двух штаммов были секвенированы . [9] [13]
Гидрогеназы
Cupriavidus necator может использовать водород в качестве источника энергии при выращивании в автотрофных условиях. Он содержит четыре различных гидрогенезис , которые имеют [Ni-Fe] активные центры и все выполняют эту реакцию: [14] [15]
- H 22H + + 2e -
Гидрогеназы C. necator похожи на другие типичные [Ni-Fe] гидрогеназы, потому что они состоят из большой и малой субъединиц. Большая субъединица - это то место, где находится активный сайт [Ni-Fe], а малая субъединица состоит из кластеров [Fe-S] . [16] Однако гидрогеназы C. necator отличаются от типичных [Ni-Fe] гидрогеназ, потому что они толерантны к кислороду и не ингибируются CO . [14] В то время как четыре гидрогеназы осуществляют одну и ту же реакцию в клетке, каждая гидрогеназа связана с разными клеточными процессами. Различия между регуляторной гидрогеназой, мембраносвязанной гидрогеназой, растворимой гидрогеназой и актинобактериальной гидрогеназой у C. necator описаны ниже.
Регуляторная гидрогеназа
Первая гидрогеназа - это регуляторная гидрогеназа (RH), которая сигнализирует клетке о наличии водорода. RH представляет собой белок, содержащий большие и малые субъединицы [Ni-Fe] гидрогеназы, присоединенные к субъединице гистидиновой протеинкиназы . [17] Газообразный водород окисляется в центре [Ni-Fe] в большой субъединице и, в свою очередь, восстанавливает кластеры [Fe-S] в малой субъединице. Неизвестно, переносятся ли электроны из кластеров [Fe-S] в домен протеинкиназы. [14] Гистидиновая протеинкиназа активирует регулятор ответа . Регулятор ответа активен в дефосфорилированной форме. Дефосфорилированный регулятор ответа способствует транскрипции мембраносвязанной гидрогеназы и растворимой гидрогеназы. [18]
Мембраносвязанная гидрогеназа
Мембраносвязанная гидрогеназа (MBH) связана с дыхательной цепью через специфический белок, родственный цитохрому b, у C. necator . [19] Газообразный водород окисляется в активном центре [Ni-Fe] в большой субъединице, и электроны перемещаются через кластеры [Fe-S] в малой субъединице к цитохрому b-подобному белку. [14] MBH расположен на внешней цитоплазматической мембране . Он восстанавливает энергию клетки, направляя электроны в дыхательную цепь и увеличивая протонный градиент . [19] MBH в C. necator не ингибируется CO и толерантен к кислороду. [20]
НАД + -восстанавливающая гидрогеназа
Гидрогеназа, восстанавливающая НАД + (растворимая гидрогеназа, SH), создает эквивалент восстановления НАДН путем окисления газообразного водорода. SH является heterohexameric белка [21] с двумя субъединица , из которых изготовлены больших и малых субъединиц [Ni-Fe] гидрогеназа и другие две субъединиц , включающих в себя модуль редуктазы , аналогичный одному из комплекса I . [22] Активный центр [Ni-Fe] окисляет газообразный водород, который переносит электроны на кофактор FMN-a , затем на кластерный ретранслятор [Fe-S] небольшой субъединицы гидрогеназы и модуля редуктазы, затем на другой FMN-b. кофактор и, наконец, NAD + . [14] Восстановительные эквиваленты затем используются для фиксации диоксида углерода, когда C. necator растет автотрофно.
Активный сайт SH C. necator H16 широко изучен, поскольку C. necator H16 может продуцироваться в больших количествах, может подвергаться генетическим манипуляциям и может быть проанализирован с помощью спектрографических методов. Однако в настоящее время не существует кристаллической структуры растворимой гидрогеназы C. necator H16 в присутствии кислорода, чтобы определить взаимодействия активного центра с остальной частью белка. [14]
Типичные анаэробные [Ni-Fe] гидрогеназы
[Ni-Fe] гидрогеназа из Desulfovibrio vulgaris и D. gigas имеют сходные белковые структуры друг с другом и представляют собой типичные [Ni-Fe] гидрогеназы. [14] [23] [24] [25] Большая субъединица содержит активный сайт [Ni-Fe], скрытый глубоко в сердцевине белка, а малая субъединица содержит кластеры [Fe-S]. Атом Ni координирован с десульфовибриогидрогеназой 4 лигандами цистеина . Два из этих же цистеиновых лигандов также связывают Fe активного центра [Ni-Fe]. [23] [24] Атом Fe также содержит три лиганда, один CO и два CN, которые дополняют активный центр. [26] Эти дополнительные лиганды могут способствовать реакционной способности или помочь стабилизировать атом Fe в состоянии окисления с низким спином +2. [23] Типичные гидрогеназы [NiFe], такие как у D. vulgaris и D. gigas , отравляются кислородом, потому что атом кислорода прочно связывается с активным центром NiFe. [20]
C. necator устойчивый к кислороду SH
SH в C. necator уникальны для других организмов, потому что они толерантны к кислороду. [27] Активный сайт SH был изучен, чтобы узнать, почему этот белок толерантен к кислороду. Недавнее исследование показало, что толерантность к кислороду, реализованная в SH, основана на непрерывной каталитической детоксикации O2 [ссылка отсутствует]. Гены, кодирующие эту SH, могут быть активированы в условиях гетеротрофного роста с использованием глицерина в питательной среде [28], и это позволяет аэробно продуцировать и очищать один и тот же фермент. [29]
Приложения
Кислородно-толерантные гидрогеназы C. necator изучались с различными целями. C. necator был изучен как привлекательный организм, помогающий поддерживать жизнь в космосе. Он может фиксировать углекислый газ в качестве источника углерода, использовать мочевину в моче в качестве источника азота и использовать водород в качестве источника энергии для создания плотных культур, которые могут использоваться в качестве источника белка. [30] [31]
Электролиз воды - один из способов создания кислородной атмосферы в космосе, и C. necator был исследован на предмет рециркуляции водорода, образующегося во время этого процесса. [32]
Кислородостойкие гидрогеназы используются для исследования биотоплива. Гидрогеназы из C. necator использовались для покрытия поверхностей электродов для создания водородных топливных элементов, устойчивых к кислороду и монооксиду углерода [20], и для разработки легких комплексов, производящих водород . [33] Кроме того, гидрогеназы C. necator были использованы для создания сенсоров водорода. [34] Генетически модифицированная C. necator может производить изобутанол из CO.
2которые могут напрямую заменять бензин или смешиваться с ним . Организм выделяет изобутанол без необходимости уничтожения для его получения. [35]
Промышленное использование
Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе генетически модифицировали штамм вида C. necator (ранее известный как R. eutropha H16) для производства изобутанола из CO 2 сырья с использованием электричества, производимого солнечными батареями. Проект, финансируемый Министерством энергетики США, представляет собой потенциальное электротопливо с высокой плотностью энергии, которое может использовать существующую инфраструктуру для замены нефти в качестве транспортного топлива. [36]
Рекомендации
- ^ a b Ябуучи; и другие. (1995). "Перенос двух видов Burkholderia и Alcaligenes в Ralstonia gen. Nov .: предложение Ralstonia pickettii (Ralston, Palleroni and Doudoroff 1973) comb. Nov., Ralstonia solanacearum (Smith 1896) comb. Nov. И Ralstonia eutropha (Davis 1969)" гребешок ноя " . Microbiol Immunol . 39 (11): 897–904. DOI : 10.1111 / j.1348-0421.1995.tb03275.x . PMID 8657018 .
- ^ а б Дэвис, Д .; Дудоров М. и Станир Р. (1969). «Предложение об отказе от рода Hydrogenomonas : таксономические последствия» . Int J Syst Bacteriol . 19 (4): 375–390. DOI : 10.1099 / 00207713-19-4-375 .
- ^ а б Bowien, B .; Шлегель, Х. (1981). «Физиология и биохимия аэробных водородокисляющих бактерий». Анну. Rev. Microbiol . 35 : 405–452. DOI : 10.1146 / annurev.mi.35.100181.002201 . PMID 6271040 .
- ^ Репаске, Р. (1981). «Потребности в питании Hydrogenomonas eutropha » . J. Bacteriol . 83 (2): 418–422. DOI : 10.1128 / JB.83.2.418-422.1962 . PMC 277745 . PMID 14491520 .
- ^ Уайльд, Э. (1962). "Untersuchungen über Wachstum und Speicherstoffsynthese von Hydrogenomonas eutropha ". Archiv für Mikrobiologie . 43 (2): 109–137. DOI : 10.1007 / bf00406429 .
- ^ Дэвис, Д .; Станье, Р. и Дудоров, М. (1970). «Таксономические исследования некоторых грамотрицательных полярно флагеллированных« водородных бактерий »и родственных видов». Arch. Микробиол . 70 (1): 1–13. DOI : 10.1007 / BF00691056 . PMID 4987616 .
- ^ Vaneechoutte, M .; Кампфер, П .; De Baere, T .; Фалсен, Э. и Фершраген, Г. (2004). « Wautersia gen. Nov., Новый род, включающий филогенетическую линию, включая Ralstonia eutropha и родственные виды, а также предложение Ralstonia [ Pseudomonas ] syzygii (Roberts et al. 1990) comb. Nov» . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 54 (Pt 2): 317–327. DOI : 10.1099 / ijs.0.02754-0 . PMID 15023939 .
- ^ Vandamme, P .; Coenye, T. (2004). «Таксономия рода Cupriavidus : рассказ о потерянном и найденном» . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 54 (6): 2285–2289. DOI : 10.1099 / ijs.0.63247-0 . PMID 15545472 .
- ^ а б Pohlmann, A .; Fricke, W .; Reinecke, F .; Кусян, Б .; Liesegang, H .; Cramm, R .; Эйтингер, Т .; Ewering, C .; Potter, M .; Schwartz, E .; Strittmatter, A .; Воб, И .; Gottschalk, G .; Steinbuchel, A .; Фридрих Б. и Боуэн Б. (2006). «Последовательность генома бактерии Knallgas Ralstonia eutropha H16, продуцирующей биопластики » . Природа Биотехнологии . 24 (10): 1257–1262. DOI : 10.1038 / nbt1244 . PMID 16964242 .
- ^ Крамм, Р. (2009). «Геномный взгляд на энергетический метаболизм у Ralstonia eutropha H16» . J Mol Microbiol Biotechnol . 16 (1–2): 38–52. DOI : 10.1159 / 000142893 . PMID 18957861 .
- ^ Bowien, B .; Кусян, Б. (2002). «Генетика и контроль ассимиляции СО2 у хемоавтотрофа Ralstonia eutropha ». Arch Microbiol . 178 (2): 85–93. DOI : 10.1007 / s00203-002-0441-3 . PMID 12115053 .
- ^ Spiekermann, P .; Rehm, B .; Kalscheuer, R .; Баумейстер Д. и Штейнбухель А. (1999). «Чувствительный метод окрашивания жизнеспособных колоний с использованием нильского красного для прямого скрининга бактерий, накапливающих полигидроксиалкановую кислоту и другие соединения, накапливающие липиды». Arch Microbiol . 171 (2): 73–80. DOI : 10.1007 / s002030050681 . PMID 9914303 .
- ^ Lykidis, A .; Perez-Pantoja, D .; Ledger, T .; Marvomatis, K .; Андерсон, I .; Иванова, Н .; Hooper, S .; Lapidus, A .; Лукас, А .; Гонсалес, Б. и Кирпидес, Н. (2010). Ахмед, Нияз (ред.). «Полная последовательность многочастичного генома Cupriavidus necator JMP134, универсального разрушителя загрязнителей» . PLOS ONE . 5 (3): 1–13. DOI : 10.1371 / journal.pone.0009729 . PMC 2842291 . PMID 20339589 .
- ^ Б с д е е г Burgdorf, T .; Buhrke, T .; van der Linden, E .; Jones, A .; Альбрахт, С. & Фридрих, Б. (2005). «[NiFe] -гидрогеназы Ralstonia eutropha H16: модульные ферменты для устойчивого к кислороду биологического окисления водорода». J Mol Microbiol Biotechnol . 10 (2–4): 181–196. DOI : 10.1159 / 000091564 . PMID 16645314 .
- ^ Шефер, Каспар; Фридрих, Бербель; Ленц, Оливер (1 сентября 2013 г.). «Новый, нечувствительный к кислороду группа 5 [NiFe] -гидрогеназа в Ralstonia eutropha» . Прикладная и экологическая микробиология . 79 (17): 5137–5145. DOI : 10,1128 / AEM.01576-13 . PMC 3753944 . PMID 23793632 .
- ^ Schwartz, E .; Фридрих, Б. (2006). "Прокариоты, метаболизирующие H2". Прокариоты . 2 : 496–563. DOI : 10.1007 / 0-387-30742-7_17 . ISBN 978-0-387-25492-0.
- ^ Lenz, O .; Фридрих, Б. (1998). «Новая многокомпонентная регуляторная система опосредует чувствительность к H2 у Alcaligenes eutrophus » . PNAS . 95 (21): 12474–12479. DOI : 10.1073 / pnas.95.21.12474 . PMC 22855 . PMID 9770510 .
- ^ Фридрих, Б .; Бурке Т. и Бургдорф Т. (2005). «Чувствительный к водороду мультибелковый комплекс контролирует аэробный водородный метаболизм у Ralstonia eutropha ». Труды биохимического общества . 33 (Pt 1): 97–101. DOI : 10.1042 / BST0330097 . PMID 15667276 .
- ^ а б Бернхард, М .; Benelli, B .; Hochkoeppler, A .; Заннони Д. и Фридрих Б. (1997). «Функциональная и структурная роль субъединицы цитохрома b мембраносвязанного гидрогеназного комплекса Alcaligenes eutrophus H16» . Евро. J. Biochem . 248 (1): 179–186. DOI : 10.1111 / j.1432-1033.1997.00179.x . PMID 9310376 .
- ^ а б в Винсент, К .; Cracknell, J .; Lenz, O .; Zebger, I .; Фридрих Б. и Армстронг Ф. (2005). «Электрокаталитическое окисление водорода ферментом при высоком уровне оксида углерода или кислорода» . PNAS . 102 (47): 16951–16954. DOI : 10.1073 / pnas.0504499102 . PMC 1287975 . PMID 16260746 .
- ^ Schneider, K .; Шлегель, Х. (1976). «Очистка и свойства растворимой гидрогеназы из Alcaligenes eutrophus H 16». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Энзимология . 452 (1): 66–80. DOI : 10.1016 / 0005-2744 (76) 90058-9 . PMID 186126 .
- ^ Tran-Betcke, A .; Warnecke, U .; Bocker, C .; Заборош, К. и Фридрих, Б. (1990). «Клонирование и нуклеотидные последовательности генов субъединиц НАД-восстанавливающей гидрогеназы Alcaligenes eutrophus H16» . Журнал бактериологии . 172 (6): 2920–2929. DOI : 10.1128 / jb.172.6.2920-2929.1990 . PMC 209089 . PMID 2188945 .
- ^ а б в Хигучи,.; Яги Т. и Ясуока Н. (1997). «Необычная структура лиганда в активном центре Ni – Fe и дополнительный участок Mg в гидрогеназе выявлены с помощью рентгеноструктурного анализа высокого разрешения». Структура . 5 (12): 1671–1680. DOI : 10.1016 / S0969-2126 (97) 00313-4 . PMID 9438867 .
- ^ а б Volbeda, A .; Garcin, E .; Piras, C .; де Лейси, А .; Фернандес, В .; Хатчикян, Ц .; Фрей М. и Фонтесилла-Кэмпс Дж. (1996). «Структура активного сайта [NiFe] гидрогеназы: данные о биологически необычных лигандах Fe». Варенье. Chem. Soc . 118 (51): 12989–12996. DOI : 10.1021 / ja962270g .
- ^ Volbeda, A .; Charon, M .; Piras, C .; Хатчикян, Ц .; М. Фрей и Дж. Фонтесилла-Кэмпс (1995). «Кристаллическая структура никель-железной гидрогеназы из Desulfovibrio gigas ». Природа . 373 (6515): 580–587. DOI : 10.1038 / 373580a0 . PMID 7854413 .
- ^ Happe, R .; Roseboom, W .; Пиерик А. и Альбрахт С. (1997). «Биологическая активация водорода» . Природа . 385 (6612): 126. DOI : 10.1038 / 385126a0 . PMID 8990114 .
- ^ Schneider, K .; Cammack, R .; Шлегель, Г. и Холл, Д. (1979). «Железо-серные центры растворимой гидрогеназы из Alcaligenes eutrophus ». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Структура белка . 578 (2): 445–461. DOI : 10.1016 / 0005-2795 (79) 90175-2 . PMID 226163 .
- ^ Югдер, Бат-Эрдене; Чен, Чжилян; Пинг, Даррен Тан Тек; Лебхар, Элен; Уэлч, Джеффри; Маркиз, Кристофер П. (2015-03-25). «Анализ изменений растворимой гидрогеназы и глобальной экспрессии генов в Cupriavidus necator (Ralstonia eutropha) H16, выращенном в гетеротрофной диауксической периодической культуре» . Фабрики микробных клеток . 14 (1): 42. DOI : 10,1186 / s12934-015-0226-4 . ISSN 1475-2859 . PMC 4377017 . PMID 25880663 .
- ^ Югдер, Бат-Эрдене; Лебхар, Элен; Агей-Зинсу, Кондо-Франсуа; Маркиз, Кристофер П. (2016). «Производство и очистка растворимой гидрогеназы из Ralstonia eutropha H16 для потенциальных применений водородных топливных элементов» . МетодыX . 3 : 242–250. DOI : 10.1016 / j.mex.2016.03.005 . ISSN 2215-0161 . PMC 4816682 . PMID 27077052 .
- ^ Репаске, Р .; Майер Р. (1976). «Плотные автотрофные культуры Alcaligenes eutrophus » . Прикладная и экологическая микробиология . 32 (4): 592–597. DOI : 10,1128 / AEM.32.4.592-597.1976 . PMC 170312 . PMID 10840 .
- ^ Ammann, E .; Рид, Л. (1967). «Метаболизм азотистых соединений при помощи Hydrogenomonas eutropha». Биохим. Биофиз. Acta . 141 (1): 135–143. DOI : 10.1016 / 0304-4165 (67) 90252-8 . PMID 4963807 .
- ^ Foster, J .; Литчфилд, Дж. (1964). «Аппарат непрерывного культивирования для микробного использования водорода, полученного путем электролиза воды в космических системах с замкнутым циклом». Биотехнология и биоинженерия . 6 (4): 441–456. DOI : 10.1002 / bit.260060406 .
- ^ Ихара, М .; Mishihara, H .; Юн, К .; Lenz, O .; Фридрих, Б .; Накамото, H .; Кодзима, К .; Honoma, D .; Камачи Т. и Окура И. (2006). «Производство водорода под действием света гибридным комплексом [NiFe] -гидрогеназы и цианобактериальной фотосистемы I». Фотохимия и фотобиология . 82 (3): 676–682. DOI : 10,1562 / 2006-01-16-RA-778 . PMID 16542111 .
- ^ Lutz, B .; Fan, H .; Бургдорф, Т. и Фридрих, Б. (2005). «Зондирование водорода с помощью ферментативно-катализируемого электрохимического обнаружения». Анальный. Chem . 77 (15): 4969–4975. DOI : 10.1021 / ac050313i . PMID 16053311 .
- ^ «Учим микроба делать топливо - MIT News Office» . Web.mit.edu . Проверено 22 августа 2012 .
- ^ Li, H .; Opgenorth, PH; Wernick, DG; Rogers, S .; Wu, T.-Y .; Higashide, W .; Malati, P .; Хо, Y.-X .; Чо, км; Ляо, JC (2012). «Интегрированное электромикробное преобразование CO2 в высшие спирты». Наука . 335 (6076): 1596. DOI : 10.1126 / science.1217643 . PMID 22461604 .
Внешние ссылки
- Типовой штамм Cupriavidus necator в Bac Dive - база метаданных по бактериальному разнообразию