Elérni és megérinteni valakit: a DIET (közvetlen fajok közötti energiaátadás) lehetséges hatása az anaerob biogeokémiára, a bioremediációra és a bioenergiára

Mondd el, mit eszel, én pedig elmondom, hogy mi vagy.

A legtöbb prokarióta egysejtű, és jellemzően egymástól függetlenül működő sejtek gyűjteményeként vizsgálják. Még akkor is, ha két mikroorganizmusfajnak együtt kell működnie a túlélés érdekében, a két fajt általában különálló entitásnak tekintik. Ez akkor is igaz, ha a mikrobák biofilmekben vagy többsejtű aggregátumokban nőnek; az egyes sejteket téglákként modellezik a teljes szerkezetben, és feltételezik, hogy a metabolitok megosztása, vagy az információ továbbítása a jelzőmolekulákon keresztül ezen anyagok felszabadulásán alapul az extracelluláris mátrixban. Azok a kivételek, amelyekben a sejtkapcsolat szükséges a jelzéshez, azonban egyre növekszik (Marx 2009).

A legutóbbi tanulmányok hasonló módon azt sugallták, hogy a mikrobafajok közötti energiacsere sokkal kifinomultabb és hatékonyabb lehet, mint korábban gondolták. Különösen a közvetlen fajok közötti energiaátadás (DIET) lehet fontos jellemzője azoknak a mikrobaközösségeknek, amelyek kulcsszerepet játszanak a szén és a tápanyagok globális körforgásában, a környezeti szennyeződések helyreállításában és a különféle bioenergia-stratégiákban.

Például a fajok közötti együttműködés egyik legismertebb példája a fajok közötti hidrogénátadás, amely stratégia a mikroorganizmusok számára az elektroncserére (McInerney et al. 2009; Stams and Plugge 2009). A szerves szubsztrát oxidációjából származó elektronok felszabadításához szükséges mikroorganizmus redukálja a protonokat ezekkel az elektronokkal, hidrogéngázt termelve. Az a mikroorganizmus, amely a hidrogén oxidációjával nyerhet energiát, elfogyasztja azt. Amióta először 40 évvel ezelőtt javasolták (Bryant et al. 1967), a fajok közötti hidrogénátadást központi elemnek tekintik az anaerob talajokban, üledékekben és állati bélrendszerekben a metángáz előállításában (McInerney et al. 2009; Stams and Plugge 2009). A pozitív előny a szerves anyag hatékony anaerob metabolizmusa ezekben a környezetekben. A környezeti potenciális negatív következmény az, hogy a metán erős üvegházhatású gáz. Az emésztőkben a hulladékok metánné történő átalakítása, amely szintén feltételezhető a fajok közötti hidrogénátadásra, fontos bioenergia-stratégia.

A laboratóriumban egyértelműen kimutatható, hogy a különféle szerves szubsztrátok anaerob lebomlásából hidrogént termelő mikroorganizmusok hidrogénfogyasztó metanogénekkel együtt tenyésztve növekedhetnek, és valójában a hidrogéntermelők általában megkövetelik, hogy a metanogének eltávolítsák a hidrogént hogy a hidrogéntermelés folyamatos termodinamikailag megvalósítható legyen (McInerney et al. 2009; Stams and Plugge 2009). A formiát néhány ilyen kultúrában helyettesítheti a hidrogént mint elektronhordozót (McInerney és mtsai 2009; Stams és Plugge 2009). Különböző technikai okokból azonban problematikus volt bizonyítani, hogy a fajok közötti hidrogén/formiát transzfer fontos a természetes metanogén környezetben (Ozturk et al. 1989).

Most nyilvánvaló, hogy egy másik lehetőséget is figyelembe kell venni. Az eredetileg a mikroorganizmusok fejlődésének értékelésére tervezett tanulmány szerint a fajok közti hidrogénátadás érdekében kiderült, hogy egyes mikroorganizmusok közvetlen elektromos kapcsolatokon keresztül cserélhetnek elektronokat, ahelyett, hogy hidrogént termelnének, vagy formiátot hordoznának elektronhordozóként (Summers et al. 2010). Kettő Geobacter fajok, olyan körülmények között, amelyekben az etanol metabolizálásához elektronok megosztására volt szükségük, a két faj elektromosan vezető aggregátumaiként fejlődtek ki, miközben alkalmazkodtak a gyorsabb etanol-anyagcseréhez. Az elektromos kapcsolat jellegének részleteit még tisztázni kell, de az elektromosan vezető pili, mikrobiális nanohuzal néven ismert (Reguera et al. 2005), valamint egy c-érintett citokróm, amely megkönnyítheti az elektron transzferjét a pilibe vagy a piliből (Leang et al. 2010), úgy tűnik, hogy érintett (Summers et al. 2010). Korábban sejtekről sejtekre történő transzfert javasoltak mikrobiális nanohuzalokon keresztül, a sejtek közötti filamentális kapcsolatokon alapuló látszólagos kapcsolatok alapján (Reguera et al. 2005; Gorby et al. 2006; Reguera et al. 2006), de csak genetikailag kezelhető ko-val -kultúrában lehetséges volt kísérletileg értékelni ezt a lehetőséget.

A sejtaggregáció gyakori jelenség a meghatározott metánt termelő kultúrákban (Johnson és mtsai 2006; Schopf és mtsai 2008; Stams és Plugge 2009), valamint olyan összetettebb rendszerekben, mint a hulladék emésztők (Schmidt és Ahring 1996). Az összesítés stratégiának tekinthető a hidrogén vagy a formiát hatékonyabb cseréjének elősegítésére, de a közvetlen elektronátadást is megvalósíthatóvá teszi. Valójában a szennyvíz emésztőkből származó metanogén aggregátumok elektromosan vezetőképesek voltak, összhangban az elektronok sejtek közötti közvetlen vezetésével (Morita et al. 2011). A vezetőképesség rengeteggel társult Geobacter fajok, amelyek feltehetően szintrofikus zsírsav-oxidálószerként működtek a természetes aggregátumokban. Valószínűnek tűnik, hogy a Geobacter fajok képesek lehetnek elektromos kontaktusokat létrehozni anaerob környezetben (Gorby et al. 2006; Summers et al. 2010), de ezt még kísérletileg nem mutatták be.

Az anaerob módon oxidáló metán és a szulfát redukciója aggregátumok egy másik valószínű jelölt a fajok közötti közvetlen elektromos kapcsolatokra (Alperin és Hoehler 2010). Kísérleti és modellezési tanulmányok sora azt sugallta, hogy a hidrogén, a formiát vagy más potenciálisan oldható elektron ingák sokszínűsége valószínűleg nem elektronhordozó a metán elleni kezdeti támadásért felelős régészek és kísérő szulfát-reduktoraik között (Orcutt és Meile 2008; Alperin és Hoehler 2010; Meulepas és mtsai 2010). Ezen metán-oxidáló aggregátumok legalább egy kládja expresszálja a multi-hemet kódoló géneket c-típusú citokrómok, amelyek várhatóan kiválasztódnak a sejtekből (Myerdierks et al. 2010), és így analógak a közvetlen elektrontranszferhez szükséges citokrómokkal Geobacter fajok (Summers et al. 2010). Az anaerob metán-oxidáló aggregátumok vezetőképességének mérésével elő kell segíteni annak eldöntését, hogy megvalósítható-e a közvetlen elektrontranszfer ebben a mikrobacsoportban.

A fajok közötti nanocsövekhez hasonló szerkezetek találhatók a „Chlorochromatium aggregatum”(Wanner és mtsai 2008), egy központi heterotróf baktérium együttese, amelyet több zöld kén baktérium vesz körül. Úgy gondolják, hogy a zöld kénbaktériumok szerves szénnel látják el a központi baktériumot, míg a központi baktérium mozgékonyságot biztosít a konzorcium számára, lehetővé téve a mélységben való eligazodást, ahol a fényhullámhossz optimális a kénalapú fotoszintézishez. A konzorcium alkotóelemeinek számos újszerű szerkezete kapcsolódik a szimbiózisukhoz. Ezek közül a legérdekesebbek lehetnek a sejtek közötti kapcsolatok, amelyeket „periplazmatikus tubulusoknak” neveznek, amelyek úgy tűnik, hogy összekapcsolják a két együttműködő faj periplazmáit. Még nem bizonyították, hogy milyen típusú anyagokat lehet kicserélni a tubulusokon keresztül, de csábító arra gondolni, hogy ezek a fajok közötti nanocsövekhez hasonlóan működhetnek, lehetővé téve a molekulák sokféleségének mozgását a két faj között.

Tekintettel a DIET érdekes lehetőségeire, a fajok közötti elektrontranszfer formájában mikrobiális nanohuzalokon vagy a fajok közötti metabolitcserén keresztül nanocsöveken keresztül, fontos kérdés, hogy a DIET mennyire fontos a környezetben. Ennek megválaszolásához gondosan megtervezett mérésekre van szükség a megfelelő környezetekben található természetes közösségekben, valamint ellenőrzött laboratóriumi vizsgálatokra, meghatározott konzorciumokkal. A környezettanulmányok szigorúságot igényelnek. Például azt az érdekes felvetést, miszerint a tengeri üledékeken keresztüli elektronvezetés mikrobiális nanohuzalokon keresztül mehet végbe, még nem támasztották alá közvetlen bizonyítékok, és számos alternatív magyarázat lehetséges (Nielsen et al. 2010).

Az egyik oka annak, hogy a DIET-et korábban nem figyelték meg széles körben, az lehet, hogy a szintrófiás asszociációban részt vevő mikroorganizmusok dúsítására és izolálására általánosan alkalmazott módszerek általában olyan mikroorganizmusokat választanak ki, amelyek kölcsönhatásba lépnek molekulák extracelluláris környezetbe történő felszabadulásával. Kiválasztható a klaszterezés ellen, ha a gyors, nem hatékony anyagcserét részesítik előnyben (Pfeiffer és Bonohoeffer 2003). A leggyorsabban növekvő mikrobák általában a legtöbb dúsítási és izolációs protokollban nyernek.

A mikrobiológusok általában szeretik a homogén kultúrákat, és a kultúrák természetes szétszóródására és szuszpendálására való természetes hajlam nem valószínű, hogy elősegítené a közvetlenül az anyagot cserélő több fajú aggregátumok növekedését. A szilárd felületeken történő növekedés, elkerülve a kolóniák egyes sejtekből történő létrehozásának hagyományos útját, elősegítheti a DIET-re szakosodott mikroorganizmusok helyreállítását. Az olyan stratégiák, mint a Magneto-FISH, amelyek lehetővé teszik a természetes környezetben együtt aggregálódó mikroorganizmusok genomszekvenciájának szétválasztását, azonosítását és megszerzését (Orphan 2009), valószínűleg hozzájárulnak a növekedésükhöz megfelelő szelektív táptalaj tervezéséhez. Nem lenne meglepő, ha kiderülne, hogy azok az élőlények, amelyek elsősorban a DIET-ből élnek, számolnak az anaerob környezetben élő, bőséges, ám még nem tenyésztett mikrobákkal.

Mivel a modellrendszerekből többet megtudnak olyan specifikus génekről és fehérjékről, amelyek expressziója összefügg a sejt-sejt kapcsolatok kialakításával a DIET számára, érzékeny környezeti transzkriptomikus és proteomikai megközelítésekkel lehetséges lesz ezt a jelenséget jobban dokumentálni. Nagy felbontású képalkotó technikák alkalmazhatók a fajok közötti nanocső kapcsolatok azonosítására és a fajok között mozgó metabolitok dokumentálására környezeti mintákban.

Lehetséges hátrányai vannak annak, ha bizonyos körülmények között közvetlen kapcsolatot létesítünk egy másik fajjal. A jelentős aggregáció gátolja az aggregált sejtek mozgékonyságát és új energiaforrásokba való elmozdulásuk képességét (Pfeiffer és Bonohoeffer 2003). Ez nem jelenthet jelentős korlátozást olyan környezetekben, mint például a szennyvíz emésztői vagy a metán szivárog az óceán fenekén, ahol folyamatosan, bőségesen vannak ellátva az elektrondonorok. Azonban egy olyan környezetben, mint egy homokos víztartó réteg, ahol a mikrobiális anyagcserét elősegítő eltemetett szerves anyagok részecske-forrásai heterogénen eloszlanak, a sejtek előnyösebbnek találhatják az elektrondonorok keresésének motilitásának fenntartását, és remélhetik, hogy a megfelelő szintróf partner is mutasson meg, nem pedig fizikailag kötődik szintrofikus partneréhez. Általánosságban elmondható, hogy ha rendelkezésre állnak olyan elektron-akceptorok, mint oxigén, nitrát, szulfát vagy Fe (III), akkor kevesebb szükség van a DIET-stratégiák kidolgozására, mivel ezeknek az elektron-akceptoroknak a felhasználásával kapott magas energiahozam lehetővé teszi a mikroorganizmusok számára, hogy teljesebben metabolizálják a szerves elektron-donorokat.

A genom-léptékű metabolikus modellezés fontos betekintést nyújthat a korábban nem vizsgált mikroorganizmusok metabolizmusába (Mahadevan és mtsai. 2011), és már alkalmazták a hidrogén és a formiát, mint elektronhordozó előnyeinek feltárására egy metanogén ko-kultúrában (Stolyar et al. . 2007). Ennek a megközelítésnek a továbbfejlesztése hatékony eszköz lehet a DIET költségének/hasznának jobb elméleti megértéséhez.

Összefoglalva: ha a cél a környezeti változásokra adott mikrobiális válaszok modellezése, vagy a mikrobiális közösségek manipulálása különféle bioremediációs vagy bioenergia-alkalmazásokhoz, akkor annak megértése, hogy miként működnek együtt a mikrobák a szerves szubsztrátok metabolizálásában, ugyanolyan fontos lehet, mint annak ismerete, hogy mit fogyasztanak; Az étrend ugyanolyan jelentős lehet, mint az étrend. Várhatóan a DIET még egy ideig intenzív vizsgálati terület lesz a biogeokémia, a bioremediáció és a bioenergia területén.

Hivatkozások

Alperin M, Hoehler T (2010) A tengerfenék-metán folyamatos rejtélye. Science 329: 288–289

Bryant MP, Wolin EA, Wolin MJ, Wolfe RS (1967) Methanobacillus omelianskii, két baktériumfaj szimbiotikus társulása. Arch Microbiol 59: 20–31

Dubey GP, Ben-Yehuda S (2011) Az intercelluláris nanocsövek közvetítik a bakteriális kommunikációt. Cell 144: 590–600

Gorby YA, Yanina S, McLean JS, Rosso KM, Moyles D, Dohnalkova A és mtsai (2006) Elektromosan vezető baktérium nanohuzalok Shewanella oneidensis törzs és más mikroorganizmusok. Proc Natl Acad Sci USA 103: 11358–11363

Johnson MR, Conners SB, Montero CI, Chou CJ, Shockley KR, Kelly RM (2006) A Thermotoga maritima A fenotípust befolyásolják a Methanococcus jannaschii hipertermofil kokokultúrában. Appl Environ Microbiol 72: 811–818

Leang C, Qian X, Mester T, Lovley DR (2010) A. Összehangolása c-típusú citokróm OmcS Geobacter sulfuriesucens. Appl Environ Microbiol 76: 4080–4084

Mahadevan R, Palsson BO, Lovley DR (2011) In situ to in silico és vissza: tisztázó Geobacter fiziológia és ökológia genom-léptékű modellezéssel. Nat Rev Microbiol 9: 39–50

Marx CJ (2009) Kapcsolatfelvétel barátaival. Science 324: 1150–1151

McInerney MJ, Sieber JR, Gunsalus RP (2009) Szintrófia anaerob globális szénciklusokban. Curr Opin Biotechnol 20: 623–632

Meulepas RJW, Stams AJM, Lens PNL (2010) A szulfát redukciójának biotechnológiai aspektusai metánnal, mint elektrondonorral. Rev Environ Sci Biotechnol 9: 59–78

Morita M, Malvankar NS, Franks AE, Summers ZM, Giloteaux L, Rotaru AE és mtsai. (2011) Bizonyíték a közvetlen sejt-sejt elektrontranszferre anaerob metanogén szennyvíz aggregátumokban (kézirat benyújtva)

Myerdierks A, Kube M, Kostadinov I, Teeling H, Glockner FO, Reinhardt R, Amann R (2010) Az ANME-1 csoport anaerob metanotróf archeájának metagenóm és mRNS expressziójának elemzése. Environ Microbiol 12: 422–439

Nielsen LP, Risgaard-Petersen N, Fossing H, Christensen PB, Sayama M (2010) Az elektromos áramok térben különválasztják a biogeokémiai folyamatokat a tengeri üledékben. Nature 463: 1071–1074

Orcutt B, Meile C (2008) Korlátozások a metán anaerob oxidációjának mechanizmusaira és sebességére mikrobiális konzorciumokkal: az ANME-2 archeák és szulfátokat csökkentő baktériumok kölcsönhatásainak folyamatalapú modellezése. Biogeosciences 5: 1587–1599

Orphan VJ (2009) Módszerek a kriptikus mikrobiális partnerségek bemutatására a természetben. Curr Opin Microbiol 12: 231–237

Ozturk SS, Palsson BO, Thiele JH (1989) A fajok közötti elektrontranszfer áramlásának szabályozása anaerob emésztés során: dinamikus diffúziós reakciómodellek a hidrogéngáz transzferhez mikrobiális pelyhekben. Biotechnol Bioeng 33: 745–757

Pfeiffer T, Bonohoeffer S (2003) A differenciálatlan többsejtűségre való áttérés evolúciós forgatókönyve. Proc Natl Acad Sci USA 100: 1095–1098

Reguera G, McCarthy KD, Mehta T, Nicoll JS, Tuominen MT, Lovley DR (2005) Extracelluláris elektrontranszfer mikrobiális nanohuzalokon keresztül. Nature 435: 1098–1101

Reguera G, Nevin KP, Nicoll JS, Covalla SF, Woodard TL, Lovley DR (2006) A biofilm- és nanoszál-gyártás megnövekedett áramhoz vezet Geobacter sulfuriesucens üzemanyagcellák. Appl Environ Microbiol 72: 7345–7348

Schmidt JE, Ahring BK (1996) Szemcsés iszapképzés feláramló anaerob iszaptakaró (UASB) reaktorokban. Biotechnol Bioeng 49: 229–246

Schopf S, Wanner G, Rachel R, Wirtth (2008) Archaeal kétfajú biofilm, amelyet Pyrococcus furiosus és Methanopyrus kandleri. Arch Microbiol 190: 371–377

Stams AJ, Plugge CM (2009) Elektrontranszfer az anaerob baktériumok és archeák szintrófiás közösségében. Nat Rev Microbiol 7: 568–577

Stolyar S, Van Dien S, Hillesland KL, Pinel N, Lie TJ, Leigh JA, Stahl DA (2007) A mutalisztikus mikrobaközösség metabolikus modellezése. Mol Syst Biol 3:92

Summers ZM, Fogarty H, Leang C, Franks AE, Malvankar NS, Lovley DR (2010) Az elektronok közvetlen cseréje az anaerob baktériumok evolúciójában kialakult szintrofikus együttes kultúra aggregátumaiban. Science 330: 1413–1415

Wanner G, Vogl K, Overmann J (2008) A prokarióta szimbiózis ultraszerkezeti jellemzése a „Chlorochromatium aggregatum”. J Bacteriol 190: 3721–3730

Köszönetnyilvánítás

A DIET laboratóriumomban végzett kutatásokat az Office of Science (Biológiai és Környezetvédelmi Kutatási Hivatal), az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma együttműködési megállapodása és a DE-FC-0004485 díj támogatta.

Szerzői információk

Hovatartozások

Mikrobiológiai Tanszék, Massachusettsi Egyetem Amherst, Amherst, MA, USA

A PubMed Google Scholar alkalmazásban is kereshet erre a szerzőre