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 (Genre)
Espèce
Clostridium acetobutylicum
Clostridium acetobutylicum ATCC 824 est considérée comme la souche type.
NCBI: Taxonomie
Description et signification
Clostridium acetobutylicum est un bacille à Gram positif (1). C. acetobutylicum habite le plus souvent le sol, bien qu’il ait été trouvé dans un certain nombre d’environnements différents. Il est mésophile avec des températures optimales de 10 à 65 °C. De plus, l’organisme est saccharolytique (peut décomposer le sucre) (1) et capable de produire un certain nombre de produits commercialement utiles, notamment l’acétone, l’éthanol et le butanol (2).
C. acetobutylicum nécessite des conditions anaérobies pour se développer dans son état végétatif. Dans ses états végétatifs, il est mobile via des flagelles sur toute sa surface. Il ne peut survivre que jusqu’à plusieurs heures dans des conditions aérobies, dans lesquelles il formera des endospores qui peuvent durer des années même dans des conditions aérobies. Ce n’est que lorsque ces spores sont dans des conditions anaérobies favorables que la croissance végétative se poursuivra (1).
Il a été isolé pour la première fois entre 1912 et 1914 (2). Chaim Weizmann a cultivé les bactéries pour produire de l’acétone, de l’éthanol et du butanol selon un processus appelé méthode ABE. Ainsi, il convient que C. acetobutylicum soit souvent appelé “organisme de Weizmann”.” Les produits ont ensuite servi à la production de TNT et de poudre à canon pendant la première Guerre mondiale (3). Après la Première Guerre mondiale, le procédé ABE a été largement utilisé jusqu’aux années 1950, lorsque les procédés pétrochimiques sont devenus plus rentables en raison du coût et de la disponibilité des sources de carburant pétrolier. La récente crise des combustibles fossiles a stimulé davantage de recherches sur C. acetobutylicum et l’utilisation du procédé ABE (2).
En plus d’être une bactérie importante pour un usage industriel, C. acetobutylicum est étudié comme modèle pour la formation d’endospores chez les bactéries. Elle a été comparée à la bactérie endospore la plus fréquemment étudiée, Bacillus subtilis (2). Il est important de comprendre les voies de formation des endospores, car de nombreuses bactéries formant des endospores sont des agents pathogènes humains, dans les genres Bacillus et Clostridium.
La souche la plus couramment étudiée est la souche type, ATCC 824. Cette souche a été découverte et isolée dans le sol d’un jardin du Connecticut en 1924. Des recherches ont montré que l’ATCC 824, largement étudié, est étroitement lié à la souche de Weizmann utilisée dans la production industrielle précoce d’acétone (2).
Structure du génome
Le génome de Clostridium acetobutylicum ATCC 824 a été séquencé en utilisant l’approche shotgun. Il s’agit de la souche modèle pour les bactéries productrices de solvants. Le génome est constitué d’un chromosome circulaire et d’un plasmide circulaire. Le chromosome contient 3 940 880 paires de bases. Il y a peu de biais de brin, environ 51,5% des gènes étant transcrits à partir du brin avant et 49,5% à partir du brin complémentaire (2).
Les gènes notés communs aux bactéries comprennent les 11 opérons qui codent pour les ribosomes. Il est intéressant de noter que chacun de ces opérons est proche de l’oriC (origine de la réplication) et orienté dans la direction du brin principal de la fourche de réplication. (2). Il s’agit d’une caractéristique communément observée connue sous le nom de dosage des gènes, dans laquelle des gènes hautement transcrits sont placés près de l’oriC. En raison de l’orientation de ces gènes, ils seront transcrits en plus grand nombre pendant que l’ADN est en cours de réplication et qu’il y a des copies supplémentaires du gène présentes dans la cellule.
De plus, le génome contient un gros plasmide (appelé mégaplasmide). Ce plasmide semble contenir presque tous les gènes impliqués dans la production de solvants et porte bien le nom de pSOL1. pSOL1 contient 192 000 paires de bases et code pour 178 polypeptides. L’examen du plasmide n’indique aucun biais dans lequel le brin est le brin codant (2).
Lorsque Clostridium acetobutylicum est cultivé en culture continue ou subit de nombreux transferts, la souche dégénère lentement en ce qu’elle perd sa capacité de production de solvant. Des expériences visant à déterminer les causes de la dégénérescence ont montré que pSOL1 contient quatre gènes essentiels à la production d’alcool et d’acétone. Au cours de nombreux transferts ou de la croissance végétative continue, ce plasmide est perdu. Une autre preuve de la perte de ce plasmide conduisant à la dégénérescence de la souche est que les mutants dépourvus de ces gènes et incapables de produire du solvant reprennent la production d’acétone et d’alcool lors de la complémentation des gènes via les plasmides (4).
D’autres souches moins étudiées de C. acetobutylicum telles que l’ATCC 4259 ont montré une dégénérescence similaire. Le plasmide de cette souche est nommé pWEIZ. Encore une fois, on pense que la dégénérescence due à la culture en série de cette souche se produit en raison de la perte éventuelle de pWEIZ. Cette souche est à noter car, fait intéressant, ces souches dégénérées ne sporulent pas non plus. Cela a stimulé l’idée que des gènes impliqués dans la sporulation existent également sur le plasmide de l’ATCC 4259 ainsi que de la souche type, l’ATCC 824 (4, 2).
Métabolisme énergétique et sous-produits
Clostridium acetobutylicum est un chimioorganotrophe. Il obtient de l’énergie par phosphorylation du substrat par fermentation. Comme pour toute fermentation, le substrat sont des molécules organiques qui agissent comme donneur et accepteur d’électrons. Il s’ensuit qu’il est hétérotrophe avec sa source de carbone provenant de molécules organiques. En particulier, C. acetobutylicum nécessite une source de glucides capable de subir une fermentation pour survivre (1).
De plus, C. acetobutylicum est un anaérobe obligatoire. Il ne peut survivre que des heures dans un environnement aérobie avant de subir une sporulation comme moyen de survivre pendant des périodes beaucoup plus longues dans l’environnement aérobie. Il ne présente aucune activité de catalase, une enzyme importante pour les organismes aérobies afin de convertir un sous-produit toxique du métabolisme de l’oxygène, le peroxyde d’hydrogène, en eau et en oxygène (5). Cependant, il contient de nombreuses enzymes qui lui permettent de survivre dans des environnements microoxiques, tels que la superoxyde dismutase. Ces enzymes sont régulées à la hausse en présence d’oxygène et contribuent à la survie cellulaire à court terme en milieu microoxique (6).
C. acetobutylicum est capable d’utiliser un certain nombre de glucides fermentescibles différents comme source d’énergie, ainsi que de carbone. Le génome code pour les protéines qui aident à la dégradation du xylane, du lévan, de la pectine, de l’amidon et d’autres polysaccharides (2). Fait intéressant, alors que des gènes qui codent généralement pour les cellusomes, des complexes protéiques qui décomposent la cellulose cristalline, sont présents, l’organisme est incapable de se développer uniquement sur des substrats cellulosiques (7).
Des recherches considérables ont été investies dans les voies métaboliques de Clostridium acetobutylicum afin d’améliorer les opérations de fermentation industrielle. Les voies métaboliques qui produisent des solvants industriels utiles sont les plus remarquables chez C. acetobutylicum. Les solvants acétone, acétate, butanol, butyrate et éthanol sont tous dérivés du précurseur commun, l’acétyl-CoA(2). En plus de ces produits, du CO2 et de l’H2 sont produits (1).
Une autre voie métabolique notable est que certains Clostridia (dont C. acetobutylicum) sont capables de “fixer” l’azote atmosphérique. Le processus de fixation de l’azote réduit le N2 atmosphérique en ammoniac qui est ensuite incorporé aux molécules par biosynthèse. Ceci a été déterminé à l’aide d’une forme marquée d’azote, 15N2. Après séquençage, C. acetobutylicum ATCC 824, une série de gènes très similaires aux gènes fixateurs d’azote de C. pasteurianum ont été trouvés, confirmant davantage la capacité de la bactérie à utiliser l’azote atmosphérique (8).
Structure et développement des cellules
Au début du développement des cellules, C. acetobutylicum tache à Gram positif, cependant, il peut tacher à Gram négatif à mesure que la culture vieillit. Pendant la croissance végétative, la cellule a des flagelles péritricheux (flagelles qui couvrent toute la surface de la cellule) (1). Une motilité accrue des bactéries a été impliquée dans une production accrue de solvants due à la chimiotaxie. Les attractifs comprennent l’acide butyrique et le sucre. Les répulsifs notables comprennent l’acétone, le butanol et l’éthanol. Ce mécanisme est logique en permettant à la cellule de trouver des nutriments et de s’éloigner des sous-produits produits par son propre métabolisme (9).
De plus, différents sous-produits sont produits à différentes phases de croissance chez C. acetobutylicum. Pendant la phase de croissance exponentielle, les produits primaires sont l’acétate et le butyrate. Pendant ce temps, la fixation de l’azote a également lieu (8). Quelque temps après l’entrée de la cellule en phase stationnaire (18 heures), la production de butanol et d’acétone atteint son pic (1). Cette séparation temporelle de la fixation de l’azote et de la production de solvant est avantageuse afin d’éviter la concurrence pour les réducteurs par les deux procédés (8).
Le stade majeur du développement cellulaire est caractérisé par la formation d’une endospore. Une endospore est le type cellulaire le plus résistant connu. Sur certains indices environnementaux, la cellule végétative produit un septum subterminal (1), événement qui peut être observé en microscopie électronique. Ce septum finit par devenir une autre cellule, appelée l’épine antérieure, engloutie par la cellule d’origine, appelée cellule mère. L’épine antérieure est composée d’une couche de cortex (principalement de peptidoglycane) et de protéines de pelage. Ces deux couches très résistantes entourent le noyau, qui est un cytoplasme hautement déshydraté. Le noyau est défini par absolument aucun métabolisme se produisant dans la cellule. La cellule mère lyse libérant la spore mature. Cette spore mature résiste aux températures élevées, aux produits chimiques et à de nombreux types de radiations, ce qui lui permet de survivre pendant un nombre extraordinaire d’années. Sur d’autres indices environnementaux, tels qu’un environnement anoxique, la cellule germe et recommence le cycle végétatif (10).
La formation de spores commence lorsque la cellule est exposée à des conditions défavorables. Les conditions aérobies, la formation de sous-produits organiques et la dissipation du gradient de protons à l’extérieur de la membrane cytoplasmique conduisent toutes à la sporulation. Cela contraste avec l’organisme modèle de formation d’endospores, Bacillus subtilis, qui forme des endospores principalement en raison de la limitation des nutriments (10).
Écologie
Alors que la souche type de C. acetobutylicum a été isolé du sol, C. acetobutylicum est omniprésent. Il a été trouvé dans ” les sédiments de lacs, l’eau de puits et l’intestin de palourdes ” (1). En outre, il a été enregistré dans un certain nombre de spécimens de matières fécales différentes, y compris des matières fécales humaines, bovines et canines (1). Une recherche dans la littérature révèle que les relations pathogènes ou symbiotiques ne sont pas documentées.
Pathologie
C. acetobutylicum est complètement bénin pour les plantes et les animaux, cependant, de nombreuses autres espèces du genre Clostridium sont des agents pathogènes connus, notamment: Clostridium difficile, Clostridium botulinum, Clostridium tetani et Clostridium perfringen. En particulier, C. botulinum et C. tetani, produisent certaines des neurotoxines les plus mortelles connues (11).
C. acetobutylicum a été trouvé dans le côlon humain, mais on ne sait pas qu’il fait partie de la flore humaine normale (3). De plus, comme l’organisme ne semble pas être toxique pour les mammifères par la production de substances intracellulaires ou extracellulaires, l’organisme devrait être présent en quantités énormes pour produire une menace quelconque (12).
Le seul problème de pathologie avec C. acetobutylicum est l’acquisition de gènes de Clostridium pathogènes tels que C. tetani ou C. botulinum. Bien qu’il n’y ait aucun cas rapporté d’acquisition de ces gènes par C. acetobutylicum, il y a eu des incidents dans la littérature dans lesquels d’autres espèces de Clostridium ont provoqué un botulisme infantile avec des toxines très similaires à celles présentes chez C. botulinum. La similitude des toxines suggère que la souche normalement non toxigène de Clostridium a acquis des gènes codant les toxines de C. botulinum, qui sont probablement présents sur un plasmide (13).
Application à la biotechnologie
Clostridium acetobutylicum a joué un rôle important dans la biotechnologie tout au long du 20e siècle. Initialement, l’acétone était nécessaire dans la production de caoutchouc synthétique. Chaim Weizmann a été embauché pour travailler sur le problème à l’Université de Manchester et la fermentation est devenue une voie attrayante pour acquérir l’acétone nécessaire au processus. Entre 1912 et 1914, Weizmann a isolé un certain nombre de souches. La meilleure production serait plus tard connue sous le nom de Clostridium acetobutylicum. La méthode ABE conçue par Weizmann offrait l’avantage d’une efficacité accrue par rapport aux autres processus de fermentation. En outre, il pourrait utiliser l’amidon de maïs comme substrat, alors que d’autres procédés nécessitaient l’utilisation de pommes de terre (3).
Le déclenchement de la Première Guerre mondiale en 1914 a entraîné une augmentation considérable des besoins en acétone. Il s’avérerait un point charnière dans le développement du processus ABE utilisant l’organisme de Weizmann. L’acétone devait être utilisée dans la production de poudre à canon sans fumée, connue sous le nom de cordite. Au cours des prochaines années, le procédé de Weizmann sera utilisé dans un certain nombre de grandes usines industrielles de Grande-Bretagne. Lorsque la Grande-Bretagne a été coupée de l’accès au grain pendant la guerre, le processus a été transféré dans des usines au Canada. Lorsque les États-Unis sont entrés en guerre en 1917, ils ont également ouvert un certain nombre d’usines utilisant la méthode Weizmann. Après la fin de la guerre, le besoin d’acétone a brusquement chuté. Cependant, les usines étaient encore utilisées pour produire du butanol, un solvant utile dans la production de laques pour l’industrie automobile en expansion. Auparavant, le butanol était un déchet du processus lorsque l’accent était mis sur la production d’acétone. Tout au long de la fin des années 1920, la demande de butanol a continué à augmenter en raison de la croissance de l’industrie automobile et de l’ouverture d’un certain nombre de nouvelles usines avec une énorme capacité de production. Deux de ces usines produisent chaque jour 100 tonnes d’acétone. En plus du butanol, l’éthanol industriel était produit à diverses fins. L’hydrogène gazeux dégagé par le procédé a été utilisé pour hydrogéner les huiles utilisées pour l’alimentation. À peu près à cette époque, la mélasse est devenue le principal substrat de la fermentation ABE. C’était moins cher et plus efficace que l’amidon de maïs. Lorsque le brevet sur la souche Weizmann a expiré en 1937, de nouvelles usines ont été ouvertes dans tout le pays ainsi qu’à l’international (3).
Cependant, à la fin des années 1950 et 1960, l’industrie pétrolière a commencé à grimper à un rythme incroyable. De plus, le prix de la mélasse utilisée en fermentation a commencé à grimper fortement. Bien que des méthodes de fermentation plus efficaces aient été développées, elles n’ont finalement pas pu rivaliser avec la production pétrochimique des solvants industriels et la plupart des usines ont été fermées en 1957 (3). Cependant, avec la hausse continue des prix du pétrole, il y a eu depuis des études afin de reconsidérer la fermentation comme source de solvants industriels. Certains de ces processus ont tenté d’augmenter l’efficacité du processus en utilisant la manipulation génétique (14). D’autres ont examiné l’utilisation de déchets tels que le lactosérum ou les copeaux de bois comme substrat (15).
Recherche actuelle
C. acetobutylicum a fait l’objet de recherches en tant que mécanisme spécifique d’administration de médicaments thérapeutiques aux régions cancéreuses du corps. C. l’acétobutylicum est nécessairement anaérobie et, par conséquent, l’injection intraveineuse de spores n’entraînera la germination que dans les régions hypoxiques des tumeurs solides du corps. La manipulation génétique de C. acetobutylicum afin de produire des enzymes qui activeront les pro-médicaments dans la région tumorale fournit un mécanisme d’administration extrêmement spécifique à ces sites tumoraux (16).
Certaines des recherches les plus récentes ont étudié des méthodes alternatives pour produire les solvants industriels que C. acetobutylicum a été utilisé pendant le siècle dernier pour produire. En particulier, le butanol a fait l’objet d’une attention particulière en tant que source de carburant alternative possible pour les automobiles. Le butanol et l’éthanol, tous deux produits de fermentation par C. acetobutylicum, ont été étudiés intensément. Parmi les deux, le butanol présente des avantages par rapport à l’éthanol en tant que source de carburant, ainsi que de nombreux avantages possibles par rapport aux sources de carburant actuelles, en ce sens qu’il peut offrir des émissions plus faibles et une efficacité accrue. Le facteur le plus important dans le coût de la production de butanol est associé au coût et à la disponibilité du substrat. Les études ont donc été orientées vers de nouvelles méthodes d’utilisation de substrats bon marché. Dans une étude de 2006, la fermentation du butanol via un nouveau procédé breveté en remplacement du procédé ABE a été proposée. Il implique l’utilisation de fibres de maïs (en particulier le xylème), comme substrat pour C. acetobutylicum, pour produire du butanol bon marché. L’avantage majeur de cette technique est que la fibre de maïs est un sous-produit de nombreux procédés agricoles et constitue une source abondante de substrat (17).
Une autre source d’étude intense pour C. acetobutylicum est la production d’hydrogène gazeux comme source d’énergie alternative. L’hydrogène gazeux contient une grande quantité d’énergie, ce qui pourrait être une essence alternative extrêmement bénéfique. En particulier, l’utilisation de l’hydrogène ne produit pas de dioxyde de carbone ni de gaz à effet de serre. La majeure partie de l’hydrogène gazeux est actuellement produite à partir de sources non renouvelables; un autre moyen de production par fermentation serait extrêmement précieux si les rendements pouvaient être considérablement augmentés. Ainsi, un certain nombre de méthodes de fermentation différentes qui pourraient être utilisées pour améliorer les rendements sont explorées dans les recherches les plus récentes impliquant C. acetobutylicum. En particulier, un réacteur à lit d’écoulement utilisant du glucose comme substrat a été présenté comme une possibilité, bien que les rendements soient trop faibles pour être utilisés industriellement. Cependant, une sorte d’application d’un lit de ruissellement est considérée comme un moyen de production possible à l’avenir (18).
Taxonomie : NCBI
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Édité par Mark Hoer, élève de Rachel Larsen et Kit Pogliano
