Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Формирование матрицы внеклеточного полимерного вещества в биопленке

Внеклеточные полимерные вещества ( EPS ) - это природные полимеры с высокой молекулярной массой, выделяемые микроорганизмами в окружающую среду. [1] EPS устанавливают функциональную и структурную целостность биопленок и считаются фундаментальным компонентом, определяющим физико-химические свойства биопленки. [2]

EPS в основном состоят из полисахаридов (экзополисахаридов) и белков, но включают другие макромолекулы, такие как ДНК , липиды и гуминовые вещества. EPS являются строительным материалом для бактериальных поселений и либо остаются прикрепленными к внешней поверхности клетки, либо секретируются в ее питательную среду. Эти соединения важны для образования биопленок и прикрепления клеток к поверхностям. EPS составляют от 50% до 90% от общего количества органических веществ биопленки. [2] [3] [4]

Экзополисахариды (также иногда сокращенно ЭПС ; EPS сахар после этого) являются на основе сахара частью ЭПС. Микроорганизмы синтезируют широкий спектр многофункциональных полисахаридов, включая внутриклеточные полисахариды, структурные полисахариды и внеклеточные полисахариды или экзополисахариды. Экзополисахариды обычно состоят из моносахаридов и некоторых неуглеводных заместителей (таких как ацетат , пируват , сукцинат и фосфат).). Благодаря большому разнообразию состава экзополисахариды нашли разнообразное применение в различных пищевых и фармацевтических отраслях промышленности. Многие микробные ЭПС-сахара обладают свойствами, почти идентичными используемым в настоящее время жевательной резинке. Благодаря новаторским подходам предпринимаются усилия по замене традиционно используемых растений и водорослей их микробными аналогами. Более того, был достигнут значительный прогресс в открытии и разработке новых сахаров для микробных ЭПС, которые имеют новые промышленные применения. [5]

Функция [ править ]

Капсульные экзополисахариды могут защищать патогенные бактерии от высыхания и хищничества и способствовать их патогенности. [6] Бактерии, присутствующие в биопленках, менее уязвимы по сравнению с планктонными бактериями, поскольку матрица EPS может действовать как защитный диффузионный барьер. [7] На физические и химические характеристики бактериальных клеток может влиять состав EPS, влияющий на такие факторы, как распознавание, агрегация и адгезия клеток в их естественной среде. [7] Кроме того, слой EPS действует как ловушка для питательных веществ, способствуя росту бактерий. [7]

Экзополисахариды некоторых штаммов молочнокислых бактерий, например Lactococcus lactis subsp. cremoris, придают желеобразную консистенцию кисломолочным продуктам (например, Viili ), и эти полисахариды также легко усваиваются. [8] [9] Примером промышленного использования экзополисахаридов является применение декстрана в панеттоне и других видах хлеба в хлебопекарной промышленности. [10]

Экология [ править ]

Экзополисахариды могут способствовать прикреплению азотфиксирующих бактерий к корням растений и частицам почвы, что опосредует симбиотические отношения. [11] Это важно для колонизации корней и ризосферы , которая является ключевым компонентом почвенных пищевых цепей и круговорота питательных веществ в экосистемах. Это также способствует успешному вторжению и заражению растения-хозяина. [11]

Бактериальные внеклеточные полимерные вещества могут способствовать биоремедиации тяжелых металлов, поскольку они обладают способностью адсорбировать катионы металлов, среди других растворенных веществ. [12] Это может быть полезно при очистке систем сточных вод, поскольку биопленки способны связывать и удалять металлы, такие как медь, свинец, никель и кадмий. [12] Сродство связывания и металлическая специфичность EPS варьируются в зависимости от состава полимера, а также таких факторов, как концентрация и pH. [12]

В геомикробиологическом контексте наблюдалось, что EPS влияют на осаждение минералов, особенно карбонатов . [13] EPS может также связываться с частицами и улавливать их в суспензиях биопленок, что может ограничивать диспергирование и цикличность элементов. [13] Стабильность отложений может быть увеличена с помощью EPS, поскольку он влияет на когезию, проницаемость и эрозию отложений. [13] Есть свидетельства того, что адгезия и способность связывания металлов EPS влияет на скорость выщелачивания минералов как в экологическом, так и в промышленном контексте. [13] Эти взаимодействия между EPS и абиотической средой позволяют EPS оказывать большое влияние на биогеохимический цикл .

Взаимодействие хищников и жертв между биопленками и бактериоядными животными, такими как обитающая в почве нематода Caenorhabditis elegans, было тщательно изучено. Биопленки Yersinia pestis могут препятствовать питанию путем образования липкой матрицы и образования агрегатов, блокируя рот C. elegans. [14] Более того, биопленки Pseudomonas aeruginosa могут препятствовать скользящей подвижности C. elegans, называемой «фенотипом болотного болота», что приводит к улавливанию C. elegans внутри биопленок и предотвращению исследования нематод для питания чувствительных биопленок. [15] Это значительно снизило способность хищников питаться и размножаться, тем самым способствуя выживанию биопленок.

Новое промышленное использование [ править ]

Из-за растущей потребности в поиске более эффективной и экологически чистой альтернативы традиционным методам удаления отходов промышленность уделяет больше внимания функции бактерий и их сахаров EPS в биоремедиации . [16]

Исследователи обнаружили, что добавление в сточные воды ЭПС-сахаров из цианобактерий удаляет тяжелые металлы, такие как медь, кадмий и свинец. [16] ЭПС-сахара сами по себе могут физически взаимодействовать с этими тяжелыми металлами и поглощать их посредством биосорбции . [16] Эффективность удаления может быть оптимизирована путем обработки сахаров EPS различными кислотами или основаниями перед добавлением их в сточные воды. [16] Некоторые загрязненные почвы содержат высокий уровень полициклических ароматических углеводородов (ПАУ); ЭПС бактерии Zoogloea sp . и гриб Aspergillus niger , эффективно удаляют эти токсичные соединения.[17] ЭПС содержат ферменты, такие как оксидоредуктаза и гидролаза , которые способны разлагать ПАУ. [17] Степень разложения ПАУ зависит от концентрации EPS, добавленных в почву. Этот метод оказался дешевым и очень эффективным. [17]

В последние годы было обнаружено, что ЭПС-сахара из морских бактерий ускоряют очистку от разливов нефти. [18] Во время разлива нефти Deepwater Horizon в 2010 году эти бактерии, продуцирующие EPS, смогли быстро расти и размножаться. [18] Позже было обнаружено, что их ЭПС-сахара растворяли масло и образовывали масляные агрегаты на поверхности океана, что ускоряло процесс очистки. [18] Эти масляные агрегаты также являются ценным источником питательных веществ для других морских микробных сообществ. Это позволило ученым модифицировать и оптимизировать использование сахаров EPS для очистки разливов нефти. [18]

Список внеклеточных полимерных веществ [ править ]

Сукциногликан из Sinorhizobium meliloti
  • ацетон ( Acetobacter xylinum )
  • альгинат ( Azotobacter vinelandii )
  • целлюлоза ( Acetobacter xylinum )
  • хитозан ( Mucorales spp. )
  • курдлан ( Alcaligenes faecalis var. myxogenes )
  • cyclosophorans ( Agrobacterium spp., Rhizobium spp. и Xanthomonas spp.)
  • декстран ( Leuconostoc mesenteroides , Leuconostoc dextranicum и Lactobacillus hilgardii )
  • эмульсан ( Acinetobacter calcoaceticus )
  • галактоглюкополисахариды ( Achromobacter spp., Agrobacterium radiobacter , Pseudomonas marginalis , Rhizobium spp. и Zooglea spp.)
  • галактозааминогалактан ( Aspergillus spp. )
  • геллановая ( Aureomonas Elodea и Sphingomonas paucimobilis )
  • глюкуронан ( Sinorhizobium meliloti )
  • N-ацетилглюкозамин ( эпидермальный стафилококк )
  • N-ацетил-гепарозан ( Escherichia coli )
  • гиалуроновая кислота ( Streptococcus equi )
  • индика ( Beijerinckia indica )
  • кефиран ( Lactobacillus hilgardii )
  • лентинан ( Lentinus elodes )
  • леван ( Alcaligenes viscosus , Zymomonas mobilis , Bacillus subtilis )
  • пуллулан ( Aureobasidium pullulans )
  • склероглюкан ( Sclerotium rolfsii , Sclerotium delfinii и Sclerotium glucanicum )
  • шизофиллан ( Schizophylum commune )
  • стюартан ( Pantoea stewartii subsp. stewartii )
  • сукциногликан ( Alcaligenes faecalis var. myxogenes , Sinorhizobium meliloti )
  • ксантан ( Xanthomonas campestris )
  • велан ( Alcaligenes spp.)

См. Также [ править ]

  • Внеклеточный матрикс в многоклеточных организмах
  • Экзополимер

Ссылки [ править ]

  1. ^ Staudt C, Horn H, Hempel DC, Neu TR (2004). «Объемные измерения бактериальных клеток и гликоконъюгатов внеклеточного полимерного вещества в биопленках». Biotechnol. Bioeng . 88 (5): 585–92. DOI : 10.1002 / bit.20241 . PMID  15470707 .
  2. ^ а б Флемминг, Ханс-Курт; Вингендер, Йост; Грибе, Томас; Майер, Кристиан (21 декабря 2000 г.), «Физико-химические свойства биопленок», в LV Evans (ред.), Биопленки: последние достижения в их изучении и контроле , CRC Press, стр. 20, ISBN 978-9058230935
  3. ^ Донлан, Родни М. (сентябрь 2002 г.). «Биопленки: микробная жизнь на поверхности» . Возникающие инфекционные заболевания . 8 (9): 881–890. DOI : 10.3201 / eid0809.020063 . PMC 2732559 . PMID 12194761 .  
  4. ^ Donlan RM, Costerton JW (2002). «Биопленки: механизмы выживания клинически значимых микроорганизмов» . Clin. Microbiol. Ред . 15 (2): 167–93. DOI : 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002 . PMC 118068 . PMID 11932229 .  
  5. ^ Суреш и Моди (2009). «Микробные экзополисахариды: разнообразие и потенциальное применение». Микробиологическое производство биополимеров и предшественников полимеров . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-36-3.[ требуется страница ]
  6. ^ Гош, Паллаб Кумар; Маити, Тушар Канти (2016). «Структура внеклеточных полисахаридов (EPS), продуцируемых ризобиями, и их функции в симбиозе бобовых и бактерий: - обзор» . Достижения в науках о жизни . 10 (2): 136–143. DOI : 10.1016 / j.als.2016.11.003 .
  7. ^ a b c Харимаван, Ардиян; Тин, Йен-Пэн (октябрь 2016 г.). «Исследование свойств внеклеточных полимерных веществ (EPS) P. aeruginosa и B. subtilis и их роли в бактериальной адгезии». Коллоиды и поверхности B: Биоинтерфейсы . 146 : 459–467. DOI : 10.1016 / j.colsurfb.2016.06.039 . PMID 27395039 . 
  8. ^ Уэлман AD (2009). «Использование экзополисахаридов из молочнокислых бактерий». Бактериальные полисахариды: современные инновации и будущие тенденции . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-45-5.[ требуется страница ]
  9. ^ Ljungh A, Wadstrom T (редакторы) (2009). Молекулярная биология Lactobacillus: от геномики до пробиотиков . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-41-7.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )[ требуется страница ]
  10. ^ Ullrich M (редактор) (2009). Бактериальные полисахариды: современные инновации и будущие тенденции . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-45-5.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )[ требуется страница ]
  11. ^ a b Гош, Паллаб Кумар; Маити, Тушар Канти (2016). «Структура внеклеточных полисахаридов (EPS), продуцируемых ризобиями, и их функции в симбиозе бобовых и бактерий: - обзор» . Достижения в науках о жизни . 10 (2): 136–143. DOI : 10.1016 / j.als.2016.11.003 .
  12. ^ a b c Пал, Арундати; Пол, АК (март 2008 г.). «Микробные внеклеточные полимерные вещества: центральные элементы в биоремедиации тяжелых металлов» . Индийский журнал микробиологии . 48 (1): 49–64. DOI : 10.1007 / s12088-008-0006-5 . PMC 3450203 . PMID 23100700 .  
  13. ^ a b c d Турни, Джанетт; Нгвенья, Брюн Т. (29.10.2014). «Роль бактериальных внеклеточных полимерных веществ в геомикробиологии». Химическая геология . 386 (Дополнение C): 115–132. Bibcode : 2014ChGeo.386..115T . DOI : 10.1016 / j.chemgeo.2014.08.011 .
  14. ^ Аткинсон, Стив; Голдстоун, Роберт Дж .; Джошуа, Джордж В.П.; Чанг, Цзянь-И; Патрик, Ханна Л .; Камара, Мигель; Рен, Брендан В .; Уильямс, Пол (6 января 2011 г.). «Развитие биопленки на Caenorhabditis elegans с помощью Yersinia облегчено зависимым от кворума подавлением секреции типа III» . PLOS Патогены . 7 (1): e1001250. DOI : 10.1371 / journal.ppat.1001250 . PMC 3017118 . PMID 21253572 .  
  15. ^ Чан, пастырь Юэнь; Лю, Сильвия Ян; Сэн, Цзицзин; Чуа, Сон Линь (21 сентября 2020 г.). «Матрикс биопленки нарушает подвижность нематод и хищное поведение». Журнал ISME . 15 (1): 260–269. DOI : 10.1038 / s41396-020-00779-9 . PMC  7852553. PMID 32958848 . 
  16. ^ a b c d Мота, Рита; Росси, Федерико; Андренелли, Луиза; Перейра, Сара Бернардес; Де Филиппис, Роберто (сентябрь 2016 г.). «Высвобожденные полисахариды (RPS) из Cyanothece sp. CCY 0110 в качестве биосорбента для биоремедиации тяжелых металлов: взаимодействия между металлами и сайтами связывания RPS». Прикладная микробиология и биотехнология . 100 (17): 7765–7775. DOI : 10.1007 / s00253-016-7602-9 . PMID 27188779 . S2CID 15287887 .  
  17. ^ a b c Цзя, Чуньюнь; Ли, Пэйцзюнь; Ли, Сяоцзюнь; Тай, Пейдун; Лю, Ван; Гун, Цзунцян (01.08.2011). «Разложение пирена в почвах внеклеточными полимерными веществами (ВПС), выделенными из жидких культур». Биохимия процесса . 46 (8): 1627–1631. DOI : 10.1016 / j.procbio.2011.05.005 .
  18. ^ a b c d Гутьеррес, Тони; Берри, Дэвид; Ян, Тингтин; Мишамандани, Сара; Маккей, Люк; Теске, Андреас; Эйткен, Майкл Д. (27 июня 2013 г.). «Роль бактериальных экзополисахаридов (EPS) в судьбе нефти, разлитой во время разлива нефти Deepwater Horizon» . PLOS ONE . 8 (6): e67717. Bibcode : 2013PLoSO ... 867717G . DOI : 10.1371 / journal.pone.0067717 . PMC 3694863 . PMID 23826336 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • EPS, BioMineWiki