Shewanella oneidensis - это бактерия, известная своей способностью восстанавливать ионы металлов и жить в среде с кислородом или без него. Эта протеобактерия была впервые выделена из озера Онейда , штат Нью-Йорк, в 1988 году, отсюда и ее название. [1]
Shewanella oneidensis | |
---|---|
Научная классификация | |
Королевство: | |
Тип: | |
Класс: | |
Заказ: | |
Семья: | |
Род: | |
Биномиальное имя | |
Shewanella oneidensis |
S. oneidensis - это факультативная бактерия , способная выживать и размножаться как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Особый интерес к S. oneidensis MR-1 связан с его поведением в анаэробной среде, загрязненной тяжелыми металлами, такими как железо , свинец и уран . Эксперименты показывают, что он может восстанавливать ионную ртуть до элементарной ртути [2], а ионное серебро до элементарного серебра. [3] Клеточное дыхание этих бактерий не ограничивается тяжелыми металлами; бактерии также могут нацеливаться на сульфаты, нитраты и хроматы при анаэробном выращивании.
Имя
Этот вид обозначается как S. oneidensis MR-1, что указывает на «снижение содержания марганца», особую особенность этого организма. Распространенное заблуждение - думать, что MR-1 относится к «восстановлению металлов», а не к первоначальному намеченному «восстановлению марганца», как это наблюдал Кеннет Х. Нилсон, который первым изолировал этот организм.
Качества
Восстановление металла
S. 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 сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии выявили аномальные структурные выступы, напоминающие бактериальные волокна, которые, как считается, участвуют в восстановлении металла. Этот процесс образования внешней нити полностью отсутствует в обычном дыхании бактерий и является центром многих современных исследований.
Механика устойчивости этой бактерии и использования ионов тяжелых металлов глубоко связана с сетью путей ее метаболизма. Показано, что предполагаемые переносчики оттока нескольких лекарственных препаратов, детоксикационные белки, экстрацитоплазматические сигма-факторы и регуляторы домена PAS обладают более высокой экспрессионной активностью в присутствии тяжелых металлов. Белок SO3300 класса цитохрома c также имеет повышенную транскрипцию. [4] Например, при восстановлении U (VI) специальные цитохромы, такие как MtrC и OmcA, используются для образования наночастиц UO 2 и связывания его с биополимерами. [5]
Химическая модификация
В 2017 году исследователи использовали синтетическую молекулу под названием DSFO + для модификации клеточных мембран двух мутантных штаммов Shewanella. 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 пелликулов
Пелликула - это разновидность биопленки, которая 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] Для S. oneidensis образование пленок 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, а затем созревают 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. Контроль ЭДТА и обширные тесты на присутствие / отсутствие катионов показывают, что Ca (II), Mn (II), Cu (II) и Zn (II) важны в этом процессе, вероятно, функционируя как часть кофермента или простетической группы. Mg (II) оказывает частичное действие, тогда как Fe (II) и Fe (III) в некоторой степени ингибируют. Считается, что жгутики способствуют образованию пленки. Биопленка нуждается в бактериальных клетках, чтобы двигаться определенным образом, а жгутики - это органеллы, выполняющие локомотивную функцию. [10] Мутантные штаммы, лишенные жгутиков, могут образовывать пленку, хотя и гораздо медленнее.
Приложения
Нанотехнологии
S. 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 наноматериалов могут осуществляться в водной фазе в мягких и экологически безвредных условиях. Многие организмы можно использовать для синтеза металлических наноматериалов. S. oneidensis способен внеклеточно снижать количество различных ионов металлов, 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 изменять размер частиц и активность внеклеточных биогенных наночастиц посредством контролируемой экспрессии генов, кодирующих поверхностные белки. Важным примером является синтез наночастиц серебра с помощью S. oneidensis , где на его антибактериальную активность может влиять экспрессия цитохромов c-типа внешней мембраны. Наночастицы серебра считаются новым поколением противомикробных средств, поскольку они проявляют биоцидную активность по отношению к широкому кругу бактерий и приобретают все большее значение с ростом устойчивости патогенных бактерий к антибиотикам. [3] Shewanella была замечена в лабораторных условиях для биологического восстановления значительного количества палладия и дехлорината около 70% полихлорированных дифенилов [12] Производство наночастиц S. oneidensis MR-1 тесно связано с путем MTR [3] ( например, наночастицы серебра) или гидрогеназный путь [13] (например, наночастицы палладия).
Очистки сточных вод
Способность S. oneidensis восстанавливать и поглощать тяжелые металлы делает его кандидатом для использования при очистке сточных вод . [6]
DSFO + может позволить бактериям электрически связываться с электродом и вырабатывать электричество в системах очистки сточных вод. [6]
Геном
В качестве факультативной анаэробной с ветвлением транспорта электронов путь , С. oneidensis считается модельный организм в микробиологии . В 2002 году была опубликована его геномная последовательность. Он имеет кольцевую хромосому размером 4,9 мб, которая, по прогнозам, кодирует 4758 открытых рамок считывания белка . Он имеет плазмиду размером 161 т.п.н. со 173 открытыми рамками считывания. [14] Повторная аннотация была сделана в 2003 году. [15] [16] [17]
Рекомендации
- ^ Venkateswaran, K .; Мозер, Д.П .; Dollhopf, ME; Ложь, ДП; Saffarini, DA; МакГрегор, Би Джей; Рингельберг, ДБ; Белый, DC; 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. DOI : 10.1099 / 00207713-49-2-705 . ISSN 0020-7713 . PMID 10319494 .
- ^ Вятровски HA; Палата PM; Баркай Т. (2006). «Новое восстановление ртути (II) чувствительными к ртути диссимиляционными металлоредуцирующими бактериями». Наука об окружающей среде и технологии . 40 (21): 6690–6696. Bibcode : 2006EnST ... 40.6690W . DOI : 10.1021 / es061046g . PMID 17144297 .
- ^ а б в г 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. DOI : 10.1002 / bit.24856 . PMID 23381725 .
- ^ Беляев АС; Klingeman, DM; Klappenbach, JA; Wu, L .; Romine, MF; Tiedje, JM; Nealson, KH; 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. DOI : 10.1128 / JB.187.20.7138-7145.2005 . ISSN 0021-9193 . PMC 1251602 . PMID 16199584 .
- ^ 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. DOI : 10.1371 / journal.pbio.0040268 . ISSN 1545-7885 . PMC 1526764 . PMID 16875436 .
- ^ а б в Ирвинг, Майкл (13 февраля 2017 г.). «Использование бактерий, вырабатывающих электричество, для очистки питьевой воды» . newatlas.com . Проверено 13 февраля 2017 .
- ^ 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. DOI : 10,1186 / 1471-2180-10-291 . ISSN 1471-2180 . PMC 2995470 . PMID 21080927 .
- ^ Колтер, Роберто; Гринберг, Э. Питер (2006). «Микробиологические науки: поверхностная жизнь микробов» . Природа . 441 (7091): 300–302. Bibcode : 2006Natur.441..300K . DOI : 10.1038 / 441300a . ISSN 0028-0836 . PMID 16710410 . S2CID 4430171 .
- ^ Лимон, КП; Эрл, AM; Вламакис, ХК; Агилар, С; Колтер, Р. "Развитие биопленки с акцентом на Bacillus subtilis ". Бактериальные биопленки . 2008 : 1–16. PMID 18453269 .
- ^ 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. DOI : 10.1046 / j.1365-2958.1998.01061.x . ISSN 0950-382X . PMID 9791174 .
- ^ Ши, Лян; Ричардсон, Дэвид Дж .; Ван, Чжэминь; Kerisit, Sebastien N .; Россо, Кевин М .; Захара, Джон М .; Фредриксон, Джеймс К. (август 2009 г.). «Роль цитохромов внешней мембраны Shewanella и Geobacter во внеклеточном переносе электронов». Отчеты по микробиологии окружающей среды . 1 (4): 220–227. DOI : 10.1111 / j.1758-2229.2009.00035.x . PMID 23765850 .
- ^ Де Виндт W; Aelterman P; Verstraete W. (2005). «Биоредуктивное осаждение наночастиц палладия (0) на Shewanella oneidensis с каталитической активностью в отношении восстановительного дехлорирования полихлорированных бифенилов». Экологическая микробиология . 7 (3): 314–325. DOI : 10.1111 / j.1462-2920.2005.00696.x . PMID 15683392 .
- ^ Нг, Чун Киат; Цай Тан, Тиан Коу; Песня, Хао; Цао, Бинь (2013). «Восстановительное образование наночастиц палладия с помощью Shewanella oneidensis: роль цитохромов и гидрогеназ наружной мембраны». RSC Advances . 3 (44): 22498. DOI : 10.1039 / c3ra44143a . ISSN 2046-2069 .
- ^ Гейдельберг, Джон Ф .; Полсен, Ян Т .; Нельсон, Карен Э .; Гайдос, Эрик Дж .; Нельсон, Уильям С .; Прочтите, Тимоти Д .; и другие. (2002). «Последовательность генома диссимиляционной бактерии, восстанавливающей ион металла, Shewanella oneidensis» . Природа Биотехнологии . 20 (11): 1118–1123. DOI : 10.1038 / nbt749 . ISSN 1087-0156 . PMID 12368813 .
- ^ 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. DOI : 10.1089 / 153623103322246566 . ISSN 1536-2310 . PMID 14506846 .
- ^ Shewanella oneidensis MR-1 Страница генома
- ^ Полный геном Shewanella oneidensis
Внешние ссылки
- Наблюдаемое поведение новых бактерий Исследование PNAS документально подтверждает загадочное перемещение бактерий, производящих электричество, вблизи источников энергии, тезисы на Eurekalert
- Бактерии, дышащие камнями, могут вырабатывать электроэнергию и устранять разливы нефти, ScienceDaily (15 декабря 2009 г.)
- Бактерии, которые могут образовывать электрические цепи?
- Типовой штамм Shewanella oneidensis в Bac Dive - база метаданных по бактериальному разнообразию