Clostridium acetobutylicum
A Microbial Biorealm page on the genus Clostridium acetobutylicum
Classification
Higher order taxa
Bacteria (Domain); Firmicutes (Phylum); Clostridia (Class); Clostridiales (Order); Clostridiaceae (Family); Clostridium (Rod)
druh
Clostridium acetobutylicum
Clostridium acetobutylicum ATCC 824 je považován za typový kmen.
NCBI: Taxonomie
Popis a význam
Clostridium acetobutylicum je Gram-pozitivní bacil (1). C. acetobutylicum je nejčastěji půdní obydlí, i když bylo nalezeno v řadě různých prostředí. Je mezofilní s optimálními teplotami 10-65°C. Kromě toho, organismus je sacharolytické (lze rozebrat cukru) (1) a schopné produkovat řadu různých komerčně užitečných produktů; zejména acetonu, etanolu a butanolu (2).
C. acetobutylicum vyžaduje anaerobní podmínky, aby rostl ve vegetativním stavu. Ve svých vegetativních stavech je pohyblivý přes bičíky napříč celým povrchem. Může přežít až několik hodin v aerobních podmínkách, ve kterých bude tvořit endospory, které mohou trvat roky i v aerobních podmínkách. Vegetativní růst bude pokračovat pouze v případě, že jsou tyto spory v příznivých anaerobních podmínkách (1).
byl poprvé izolován mezi lety 1912 a 1914 (2). Chaim Weizmann kultivované bakterie produkovat vyrábět aceton, ethanol a butanol v procesu zvaném ABE metoda. Je tedy vhodné, že C.acetobutylicum se často nazývá “weizmannovým organismem”.”Výrobky byly poté použity při výrobě TNT a střelného prachu v první světové válce (3). Po první světové válce byl proces ABE široce používán až do roku 1950, kdy se petrochemické procesy staly nákladově efektivnějšími kvůli nákladům a dostupnosti zdrojů ropného paliva. Nedávná krize fosilních paliv podnítila další výzkum C. acetobutylicum a využití procesu ABE (2).
kromě toho, že je důležitou bakterií pro průmyslové použití, je C. acetobutylicum studován jako model pro tvorbu endospor v bakteriích. Byl srovnáván s nejčastěji studovanými bakteriemi endospor, Bacillus subtilis (2). Pochopení cest tvorby endospor je důležité, protože mnoho bakterií tvořících endospory jsou lidské patogeny, a to jak v rodech Bacillus, tak Clostridium.
nejčastěji studovaným kmenem je typový kmen, ATCC 824. Tento kmen byl objeven a izolován v půdě z Connecticutské zahrady v roce 1924. Výzkum ukázal, že široce studoval ATCC 824 úzce souvisí s Weizmann kmen použit na počátku průmyslové produkce acetonu (2).
struktura genomu
genom Clostridium acetobutylicum ATCC 824 byl sekvenován pomocí brokovnice. Toto je modelový kmen pro bakterie produkující rozpouštědla. Genom se skládá z jednoho kruhového chromozomu a kruhového plazmidu. Chromozom obsahuje 3 940 880 párů bází. Tam je malý pramen zkreslení s přibližně 51,5% geny jsou přepisovány z dopředu pramen a 49,5% z komplementární pramen (2).
známé geny společné bakteriím zahrnují 11 operonů, které kódují ribozomy. Je zajímavé, že každý z těchto operons je poblíž oriC (počátek replikace) a je orientovaný ve směru z předních pramen replikační vidlice. (2). Toto je charakteristika běžně pozorovaná známá jako dávkování genů, ve kterém jsou vysoce transkribované geny umístěny v blízkosti oriC. Vzhledem k orientaci těchto genů, budou přepsány ve větším počtu, zatímco DNA je v procesu, aby byly napodobovány, a tam jsou další kopie genu přítomné v buňce.
kromě toho genom obsahuje jeden velký plazmid (nazývaný megaplasmid). Zdá se, že tento plazmid obsahuje téměř všechny geny podílející se na produkci rozpouštědel a je vhodně pojmenován pSOL1. pSOL1 obsahuje 192 000 párů bází a kódy pro 178 polypeptidů. Vyšetření plazmidu nenaznačuje žádné zkreslení, ve kterém řetězci je kódující řetězec (2).
Když Clostridium acetobutylicum je kultivovány v kontinuální kultuře nebo prochází mnoha převody, kmen pomalu degeneruje v tom, že ztrácí svou schopnost rozpouštědla výroby. Experimenty k určení toho, co způsobuje degeneraci, ukázaly, že pSOL1 obsahuje čtyři geny, které jsou životně důležité pro produkci alkoholu a acetonu. V průběhu mnoha přenosů nebo pokračujícího vegetativního růstu se tento plazmid ztrácí. Dalším důkazem ztráty tohoto plazmidu vedoucího k degeneraci kmene je to, že mutanti postrádající tyto geny a neschopní produkovat rozpouštědlo obnovují produkci acetonu a alkoholu po komplementaci genů plazmidy (4).
jiné, méně studované kmeny C. acetobutylicum, jako je ATCC 4259, prokázaly podobnou degeneraci. Plazmid v tomto kmeni se nazývá pWEIZ. Znovu, degenerace v důsledku sériové kultivace tohoto kmene je, že dochází z důvodu případné ztráty pWEIZ. Tento kmen stojí za zmínku, protože je zajímavé, že tyto degenerované kmeny také nesporulují. To vyvolalo představu, že geny zapojené v sporulace také existují na plasmidu v obou ATCC 4259, stejně jako typ, kmen ATCC 824 (4, 2).
Energetický metabolismus a vedlejší produkty
Clostridium acetobutylicum je chemoorganotroph. Získává energii fosforylací substrátu fermentací. Stejně jako u všech fermentací jsou substrátem organické molekuly, které působí jako donor a akceptor elektronů. Z toho vyplývá, že je heterotrofní se zdrojem uhlíku pocházejícím z organických molekul. Zejména C. acetobutylicum vyžaduje k přežití zdroj uhlohydrátů schopný podstoupit fermentaci (1).
kromě toho je C. acetobutylicum povinným anaerobem. Může přežít pouze hodiny v aerobním prostředí, než podstoupí sporulaci jako prostředek k přežití po mnohem delší dobu v aerobním prostředí. To zobrazuje žádnou aktivitu katalázy, enzymu důležitého pro aerobní organismy, aby bylo možné převést toxický vedlejší produkt metabolismu kyslíku, peroxidu vodíku, vody a kyslíku (5). Obsahuje však mnoho enzymů, které mu umožňují přežít v mikrooxických prostředích, jako je superoxiddismutáza. Tyto enzymy jsou upregulovány v přítomnosti kyslíku a přispívají ke krátkodobému přežití buněk v mikrooxickém prostředí (6).
C. acetobutylicum je schopen použít řadu různých fermentovatelných sacharidů jako zdroj energie, stejně jako uhlík. Genomové kódy pro proteiny, které pomáhají při rozkladu xylanu, levanu,pektinu, škrobu a dalších polysacharidů (2). Je zajímavé, že zatímco jsou přítomny geny, které běžně kódují cellusomy, proteinové komplexy, které rozkládají krystalickou celulózu, organismus není schopen růst pouze na celulózových substrátech (7).
značný výzkum byl investován do metabolických drah Clostridium acetobutylicum s cílem zlepšit průmyslové fermentační operace. Metabolické dráhy, které produkují průmyslová užitečná rozpouštědla, jsou nejpozoruhodnější v C. acetobutylicum. Rozpouštědla aceton, acetát, butanol, butyrát a ethanol jsou odvozena od společného prekurzoru acetyl-CoA (2). Kromě těchto produktů se vyrábí CO2 a H2 (1).
další pozoruhodnou metabolickou cestou je, že některé klostridie (včetně C. acetobutylicum) jsou schopné “fixovat” atmosférický dusík. Proces fixace dusíku redukuje atmosférický N2 na amoniak, který je poté biosyntézou začleněn do molekul. To bylo stanoveno pomocí značené formy dusíku, 15N2. Po sekvenování c. acetobutylicum ATCC 824, řada genů velmi podobný dusíku stanovení genů u C. pasteurianum byly nalezeny další potvrzení bakterie je schopnost využít atmosférický dusík (8).
Buněčné struktury a vývoje
buněk Během časného vývoje, C. acetobutylicum skvrny Gram-pozitivní, nicméně, to může skvrny Gram-negativní kultury věkových kategorií. Během vegetativního růstu má buňka peritrichózní bičíky (bičíky, které pokrývají celý povrch buňky) (1). Zvýšená motilita bakterií se podílí na zvýšené produkci rozpouštědel v důsledku chemotaxe. Mezi atraktanty patří kyselina máselná a cukr. Mezi pozoruhodné repelenty patří aceton, butanol a ethanol. Tento mechanismus je logický v tom, že umožňuje buňce najít živiny a odklonit se od vedlejších produktů produkovaných vlastním metabolismem (9).
kromě toho se v různých fázích růstu C. acetobutylicum produkují různé vedlejší produkty. Během fáze exponenciálního růstu jsou primárními produkty acetát a butyrát. Během této doby dochází také k fixaci dusíku (8). Nějaký čas poté, co buňka vstoupí do stacionární fáze (18 hodin), produkce butanolu a acetonu píku (1). Toto časové oddělení fixace dusíku a výroby rozpouštědla je výhodné, aby se zabránilo konkurenci reduktantů oběma způsoby (8).
hlavní fáze vývoje buněk je charakterizována tvorbou endosporu. Endospóra je nejodolnějším známým typem buněk. Na základě určitých podnětů prostředí produkuje vegetativní buňka subterminální septum (1), což je událost, kterou lze pozorovat elektronovou mikroskopií . Tato přepážka se nakonec stal další buňky, tzv. forespore, pohlcen původní buňky, nazývá mateřskou buňkou. Forespore se skládá z vrstvy kůry (především peptidoglykanu) a proteinů srsti. Tyto dvě vysoce odolné vrstvy obklopují jádro, což je vysoce dehydratovaná cytoplazma. Jádro je definováno absolutně žádným metabolismem, který se v buňce vyskytuje. Mateřská buňka lyzuje uvolnění zralé sportovní. Tento zralý sportovní je odolný vůči vysokým teplotám, chemikáliím a mnoha druhům záření, které mu umožňují přežít mimořádný počet let. Na základě jiných podnětů prostředí, jako je anoxické prostředí, buňka klíčí a znovu začíná vegetativní cyklus (10).
tvorba spór začíná, když je buňka vystavena nepříznivým podmínkám. Aerobní podmínky, tvorba organických vedlejších produktů a rozptyl protonového gradientu mimo cytoplazmatickou membránu vedou ke sporulaci. To je na rozdíl od modelového organismu tvorby endospor, Bacillus subtilis, který tvoří endospory především kvůli omezení živin (10).
ekologie
zatímco typový kmen C. acetobutylicum bylo izolováno z půdy, C. acetobutylicum je všudypřítomné. Byl nalezen v “jezerním sedimentu, studniční vodě a škeblích střevech” (1). Kromě toho byl zaznamenán v řadě různých exemplářů výkalů, včetně lidských, skotu a psích výkalů (1). Hledání literatury ukazuje, že patogenní nebo symbiotické vztahy nejsou zdokumentovány.
Patologie
C. acetobutylicum je zcela benigní, aby obě rostliny a zvířata, nicméně, mnoho jiných druhů v rodu Clostridium jsou známé patogeny, včetně: Clostridium difficile, Clostridium botulinum, Clostridium tetani a Clostridium perfringen. Zejména C. botulinum a C. tetani produkují některé z nejsmrtelnějších známých neurotoxinů (11).
C. acetobutylicum bylo nalezeno v lidském tlustém střevě, není však známo, že by bylo součástí normální lidské flóry (3). Kromě toho, protože organismus se nezdá být toxické pro savce přes výrobu intracelulární nebo extracelulární látky, organismus by měl být přítomen v obrovském množství se produkuje nějaké nebezpečí (12).
jediný problém patologie s. C. acetobutylicum je získávání genů od patogenní Clostridium jako C. tetani nebo C. botulinum. I když nejsou hlášeny žádné případy získání těchto genů C. acetobutylicum, v literatuře se vyskytly případy, kdy jiné druhy Clostridium způsobily botulismus kojenců toxiny velmi podobnými toxinům přítomným v C. botulinum. Podobnost toxinů naznačuje, že normálně netoxigenní kmen Clostridium získal geny kódující toxin z C. botulinum, které jsou pravděpodobně přítomny na plazmidu (13).
Aplikace Biotechnologie
Clostridium acetobutylicum hraje důležitou roli v biotechnologii po celé 20.století. Zpočátku byl aceton potřebný při výrobě syntetického kaučuku. Chaim Weizmann byl najat, aby pracoval na problému na Manchesterské univerzitě a fermentace se stala atraktivní cestou k získání acetonu nezbytného pro tento proces. Mezi lety 1912 a 1914 Weizmann izoloval řadu kmenů. Nejlepší produkce by se později stala známou jako Clostridium acetobutylicum. Metoda ABE navržená Weizmannem nabídla výhodu zvýšené účinnosti oproti jiným fermentačním procesům. Kromě toho by mohl použít kukuřičný škrob jako substrát, zatímco jiné procesy vyžadovaly použití brambor (3).
vypuknutí první světové války v roce 1914 vedlo k obrovskému nárůstu potřeby acetonu. Ukázalo by se to jako klíčový bod ve vývoji procesu ABE s využitím Weizmannova organismu. Aceton měl být použit při výrobě bezdýmného střelného prachu, známého jako kordit. V průběhu několika příštích let by byl Weizmannův proces využit v řadě velkých průmyslových továren po Velké Británii. Když byla Velká Británie během války odříznuta od přístupu k obilí, proces byl přesunut do továren v Kanadě. Když Spojené státy vstoupily do války v roce 1917, otevřely také řadu továren pomocí Weizmannovy metody. Po skončení války náhle klesla potřeba acetonu. Továrny se však stále používaly k výrobě butanolu, což je užitečné rozpouštědlo při výrobě laků pro rozšiřující se automobilový průmysl. Dříve byl butanol odpadním produktem procesu, když byl kladen důraz na výrobu acetonu. Celé pozdní 1920, poptávka po butanolu i nadále stupňovat vzhledem k rostoucí automobilový průmysl a řadu nových rostlin, otevřel se obrovský výstupní výkon. Dvě takové rostliny vydávají denně 100 tun acetonu. Kromě butanolu se vyráběl průmyslový ethanol pro různé účely. Plynný vodík uvolněný tímto procesem byl použit k hydrogenaci olejů používaných pro potraviny. V této době se melasa stala hlavním substrátem pro fermentaci ABE. Byl levnější a účinnější než kukuřičný škrob. Když v roce 1937 Vypršel patent na kmen Weizmann, bylo otevřeno více nových závodů po celé zemi i na mezinárodní úrovni (3).
Nicméně, v pozdní 1950 a 1960, ropný průmysl začal lezení na neuvěřitelnou rychlost. Navíc cena melasy použité při kvašení začala strmě stoupat. I když byly vyvinuty účinnější fermentační metody, nakonec nemohly konkurovat petrochemické výrobě průmyslových rozpouštědel a většina závodů byla uzavřena do roku 1957 (3). Nicméně, s pokračujícím růstem cen ropy, od té doby existují studie s cílem přehodnotit fermentaci jako zdroj průmyslových rozpouštědel. Některé z těchto procesů se pokusily zvýšit účinnost procesu pomocí genetické manipulace (14). Jiní zkoumali použití odpadních produktů, jako je syrovátka nebo dřevěné hobliny jako substrát (15).
Současný Výzkum
C. acetobutylicum byla zaměřena na výzkum jako specifický mechanismus léčebného léky na rakovinné oblastí těla. C. acetobutylicum je nutně anaerobní, a proto intravenózní injekce spór povede k klíčení pouze v hypoxických oblastech pevných nádorů v těle. Genetická manipulace s C. acetobutylicum za účelem produkce enzymů, které aktivují pro léky v nádorové oblasti, poskytuje extrémně specifický mechanismus dodávání do těchto nádorových míst (16).
Některé z nejnovějších výzkumů zkoumala alternativní metody k výrobě průmyslové rozpouštědla, která C. acetobutylicum byla použita pro poslední století vyrábět. Zejména butanolu byla věnována zvláštní pozornost jako možnému alternativnímu zdroji paliva pro automobily. Butanol a ethanol, oba produkty fermentace C. acetobutylicum, byly intenzivně studovány. Ze dvou, butanol má výhody oproti ethanolu jako zdroji paliva, stejně jako mnoho možných výhod oproti současným zdrojům paliva, v tom, že může nabídnout nižší emise a zvýšenou účinnost. Nejdůležitějším faktorem nákladů na výrobu butanolu je cena a dostupnost substrátu. Studie proto byly zaměřeny na nové metody využití levných substrátů. Ve studii z roku 2006 byla navržena fermentace butanolu novým patentovaným procesem nahrazujícím proces ABE. Zahrnuje použití kukuřičného vlákna (konkrétně xylem), jako substrátu pro C. acetobutylicum, k výrobě levného butanolu. Hlavní výhodou této techniky je, že kukuřičná vláknina je vedlejším produktem v mnoha zemědělství procesy a poskytuje bohatý zdroj substrátu (17).
dalším intenzivním zdrojem studia pro C. acetobutylicum je výroba plynného vodíku jako alternativního zdroje energie. Vodíkový plyn obsahuje velké množství energie, což by mohl být mimořádně prospěšný alternativní benzín. Zejména použití plynného vodíku neprodukuje žádný oxid uhličitý ani skleníkové plyny. Většina plynného vodíku se v současné době vyrábí pomocí neobnovitelných zdrojů; alternativní způsob výroby fermentací by byl nesmírně cenný, kdyby se výnosy mohly ohromně zvýšit. V nejnovějším výzkumu zahrnujícím C. acetobutylicum je tedy zkoumána řada různých fermentačních metod, které by mohly být použity ke zlepšení výnosů. Zejména, trickle bed reaktorem, který využívá glukózy jako substrát byl prezentován jako možnost, i když výnosy jsou příliš nízké, aby být používán průmyslově. Nicméně, nějaký druh aplikace pramínku postele je viděn jako možný prostředek produkce v budoucnosti (18).
Taxonomie:NCBI
(1) Cato, E. P., W. L. George, a. S. M. Finegold. 1986. Rod Clostridium, s. 1141-1200. In: P. H. a. Sneath et al. (EDA.), Bergey ‘ s Manual of Systematic Bacteriology, Vol. 2. Williams a Wilkins, Baltimore, MD.
(2) Nolling J et al., “Genomová sekvence a srovnávací analýza bakterie Clostridium acetobutylicum produkující rozpouštědla.”, J Bakteriol, 2001 Aug; 183 (16): 4823-38.
(3) Jones, D. T., and D. R. Woods. 1986. Fermentace aceton-butanolu byla obnovena. Mikrobiol. Rev. 50: 484-524.
(4) Cornillot, E., R. V. Nair, E.T. Papoutsakis a P. Soucaille. 1997. Geny pro tvorbu butanolu a acetonu v Clostridium acetobutylicum ATCC 824 jsou umístěny na velkém plazmidu, jehož ztráta vede k degeneraci kmene. J. Bacteriol. 179:5442-5447.
(5) Zhang H, Bruns MA, Logan BE.(5) Keis, S., Shaheen, R., and Jones, D.T. “Emended descriptions of Clostridium acetobutylicum and Clostridium beijerinckii, and descriptions of Clostridium saccharoperbutylacetonicum sp. nov. and Clostridium saccharobutylicum sp. nov.” Int. J. Syst. Evol. Microbiol. (2001) 51:2095-2103.
(6) Kawasaki, S., Y. Watamura, M. Ono, T. Watanabe, K. Takeda, and Y. Niimura. 2005. Adaptive responses to oxygen stress in obligatory anaerobes Clostridium acetobutylicum and Clostridium aminovalericum. Appl. Environ. Microbiol. 71:8442-8450.
(7) Fabrice Sabathe, Anne Belaıch, Philippe Soucaille (2002) Characterization of the cellulolytic complex (cellulosome) of Clostridium acetobutylicum FEMS Microbiology Letters 217 (1), 15–22.
(8) Chen, J.S., Toth, J., and Kasap, M. (2001) Nitrogen-fixation genes and nitrogenase activity in Clostridium acetobutylicum and Clostridium beijerinckii. J Ind Microbiol Biotechnol 27: 281–286.
(9) Gutierrez, Noemi A., Maddox, Ian S. Role of Chemotaxis in Solvent Production by Clostridium acetobutylicum Appl. Environ. Microbiol. 1987 53: 1924-1927.
(10) P. Durre a C. Hollergschwandner, Zahájení endospore formace v Clostridium acetobutylicum, Anaerobe 10 (2004), pp. 69-74.
(11) Hill, E.O. 1981. Rod Clostridium (lékařské aspekty), s. 1756-1766. In: M. P. Starr et al. (EDA.), The Prokaryotes, Volume II. Springer-Verlag, New York.
(12) Gill, D. M.1982. Bakteriální toxiny: tabulka smrtelných množství. Mikrobiol. Rev. 46: 86-94.
(13) Gimenez, J. A. and H. Sugiyama. 1988. Srovnání toxinů Clostridium butyricum a Clostridium botulinum typu E. infekce a imunita 56:926-929.
(14) Harris, L. M., R. P. Desai, N. E. Welker, and E. T. Papoutsakis. 2000. Charakterizace rekombinantních kmenů Clostridium acetobutylicum butyrát inaktivaci kinázy mutant: potřeba nových fenomenologických modelů pro solventogenesis a butanolu inhibice? Biotechnol. Bioeng. 67:1-11.
(15) McNeil, B. and B. Kristiansen. 1986. Aceton-butanolová fermentace. ADV.Appl. Mikrobiol. 31:61-92.
(16) Nuyts S, Van Mellaert L, Theys J, Landuyt W, Lambin P, a Anne J. spóry Clostridium pro nádor-specifické dodávky drog. Protinádorové Léky. 2002 Února; 13 (2): 115-25.
(17) Nasib Qureshi, Xin-Liang Li, Stephen Hughes, Badal C. Saha, a Michael a. Cotta Produkce Butanolu z Kukuřičné Vlákniny Substrát Pomocí Clostridium acetobutylicum Biotechnol. Pořada.; 2006; 22(3) pp 673-680.
(18) Zhang H, Bruns MA, Logan BE. Biologická produkce vodíku Clostridium acetobutylicum v nenasyceném průtokovém reaktoru. Voda Res. 2006 Února; 40 (4): 728-34.
editoval Mark Houer, student Rachel Larsen a Kit Pogliano
