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 (Genere)
Specie
Clostridium acetobutylicum
Clostridium acetobutylicum ATCC 824 è considerato il tipo di ceppo.
NCBI: Tassonomia
Descrizione e significato
Il clostridium acetobutylicum è un bacillo gram-positivo (1). C. acetobutylicum è più spesso dimora del suolo, anche se è stato trovato in un certo numero di ambienti diversi. È mesofilo con temperature ottimali di 10-65°C. Inoltre, l’organismo è saccarolitico (può abbattere lo zucchero) (1) e in grado di produrre una serie di diversi prodotti commercialmente utili; in particolare acetone, etanolo e butanolo (2).
C. acetobutylicum richiede condizioni anaerobiche per crescere nel suo stato vegetativo. Nei suoi stati vegetativi, è mobile tramite flagelli attraverso tutta la superficie. Può sopravvivere solo fino a diverse ore in condizioni aerobiche, in cui formerà endospore che possono durare per anni anche in condizioni aerobiche. Solo quando queste spore sono in condizioni anaerobiche favorevoli, la crescita vegetativa continuerà (1).
Fu isolato per la prima volta tra il 1912 e il 1914 (2). Chaim Weizmann coltivato i batteri per produrre acetone produrre, etanolo e butanolo in un processo chiamato il metodo ABE. Quindi, è giusto che C. acetobutylicum sia spesso chiamato ” organismo di Weizmann.”I prodotti sono stati poi utilizzati nella produzione di TNT e polvere da sparo nella prima guerra mondiale (3). Dopo la prima guerra mondiale, il processo ABE è stato ampiamente utilizzato fino al 1950 quando i processi petrolchimici sono diventati più convenienti a causa del costo e della disponibilità di fonti di combustibile petrolifero. La recente crisi dei combustibili fossili ha stimolato ulteriori ricerche sul C. acetobutylicum e sull’utilizzo del processo ABE (2).
Oltre ad essere un importante batterio per uso industriale, C. acetobutylicum è studiato come modello per la formazione di endospore nei batteri. È stato confrontato con il batterio endosporo più frequentemente studiato, Bacillus subtilis (2). Comprendere i percorsi di formazione degli endospori è importante perché molti batteri che formano gli endospori sono patogeni umani, sia nei generi Bacillus che Clostridium.
Il ceppo più comunemente studiato è il tipo-ceppo, ATCC 824. Questo ceppo è stato scoperto e isolato nel terreno da un giardino del Connecticut nel 1924. La ricerca ha indicato che l’ATCC 824 ampiamente studiato è strettamente correlato al ceppo Weizmann utilizzato nella prima produzione industriale di acetone (2).
Struttura del genoma
Il genoma del Clostridium acetobutylicum ATCC 824 è stato sequenziato utilizzando l’approccio shotgun. Questo è il ceppo modello per i batteri produttori di solventi. Il genoma è costituito da un cromosoma circolare e un plasmide circolare. Il cromosoma contiene 3.940.880 coppie di basi. C’è poco bias del filamento con circa il 51,5% dei geni trascritti dal filamento anteriore e il 49,5% dal filamento complementare (2).
I geni noti comuni ai batteri includono gli 11 operoni che codificano per i ribosomi. È interessante notare che ciascuno di questi operoni è vicino all’orico (origine della replicazione) e orientato nella direzione del filo principale della forcella di replicazione. (2). Questa è una caratteristica comunemente osservata nota come dosaggio genico, in cui i geni altamente trascritti sono posizionati vicino all’oriC. A causa dell’orientamento di questi geni, saranno trascritti in numero maggiore mentre il DNA è in fase di replica e ci sono copie aggiuntive del gene presenti all’interno della cellula.
Inoltre, il genoma contiene un grande plasmide (chiamato megaplasmide). Questo plasmide sembra contenere quasi tutti i geni coinvolti nella produzione di solventi ed è giustamente chiamato pSOL1. pSOL1 contiene 192.000 coppie di basi e codici per 178 polipeptidi. L’esame del plasmide non indica alcuna distorsione in cui il filo sia il filo codificante (2).
Quando il Clostridium acetobutylicum viene coltivato in coltura continua o subisce molti trasferimenti, il ceppo degenera lentamente in quanto perde la sua capacità di produzione di solventi. Gli esperimenti per determinare che cosa causa la degenerazione hanno indicato che pSOL1 contiene quattro geni che sono vitali per la produzione dell’acetone e dell’alcool. Nel corso di molti trasferimenti o continua crescita vegetativa, questo plasmide è perso. Un’ulteriore prova della perdita di questo plasmide che porta alla degenerazione del ceppo è che i mutanti privi di questi geni e incapaci di produrre solvente riprendono la produzione di acetone e alcol dopo la complementazione dei geni attraverso i plasmidi (4).
Altri ceppi meno studiati di C. acetobutylicum come ATCC 4259 hanno mostrato una degenerazione simile. Il plasmide in questo ceppo è chiamato pWEIZ. Ancora una volta, la degenerazione dovuta alla coltura seriale di questo ceppo si pensa che si verifichi a causa dell’eventuale perdita pWEIZ. Questo ceppo vale la pena notare perché, curiosamente, anche questi ceppi degenerati non sporulano. Ciò ha stimolato l’idea che i geni coinvolti nella sporulazione esistano anche sul plasmide sia in ATCC 4259 che nel ceppo tipo, ATCC 824 (4, 2).
Metabolismo energetico e sottoprodotti
Clostridium acetobutylicum è un chemoorganotroph. Ottiene energia tramite fosforilazione del substrato per fermentazione. Come con tutta la fermentazione, il substrato sono molecole organiche che agiscono come donatore di elettroni e accettore. Ne consegue che è eterotrofico con la sua fonte di carbonio proveniente da molecole organiche. In particolare, C. acetobutylicum richiede una fonte di carboidrati in grado di subire la fermentazione per sopravvivere (1).
Inoltre, C. acetobutylicum è un anaerobo obbligato. Può sopravvivere solo ore in un ambiente aerobico prima di subire la sporulazione come mezzo per sopravvivere per periodi di tempo molto più lunghi nell’ambiente aerobico. Non mostra alcuna attività della catalasi, un enzima importante per gli organismi aerobici al fine di convertire un sottoprodotto tossico del metabolismo dell’ossigeno, il perossido di idrogeno, in acqua e ossigeno (5). Tuttavia, contiene molti enzimi che gli permettono di sopravvivere in ambienti microossici, come la superossido dismutasi. Questi enzimi sono sovraregolati in presenza di ossigeno e contribuiscono alla sopravvivenza cellulare a breve termine in ambienti microossici (6).
C. acetobutylicum è in grado di utilizzare una serie di diversi carboidrati fermentabili come fonte di energia e carbonio. Il genoma codifica per le proteine che aiutano nella ripartizione di xilano, levan, pectina, amido e altri polisaccaridi (2). È interessante notare che, mentre i geni che comunemente codificano per cellusomes, complessi proteici che degradano la cellulosa cristallina, sono presenti, l’organismo non è in grado di crescere esclusivamente su substrati di cellulosa (7).
Notevoli ricerche sono state investite nelle vie metaboliche del Clostridium acetobutylicum al fine di migliorare le operazioni di fermentazione industriale. Le vie metaboliche che producono solventi utili industriali sono più notevoli in C. acetobutylicum. I solventi acetone, acetato, butanolo, butirrato ed etanolo sono tutti derivati dal precursore comune, acetil-CoA (2). Oltre a questi prodotti, vengono prodotti CO2 e H2 (1).
Un’altra via metabolica notevole è che alcuni Clostridi (incluso C. acetobutylicum) sono in grado di “fissare” l’azoto atmosferico. Il processo di fissazione dell’azoto riduce l’N2 atmosferico in ammoniaca che viene poi incorporata nelle molecole tramite la biosintesi. Questo è stato determinato utilizzando una forma etichettata di azoto, 15N2. Dopo il sequenziamento, C. acetobutylicum ATCC 824, una serie di geni molto simili ai geni di fissaggio dell’azoto in C. pasteurianum sono stati trovati, confermando ulteriormente la capacità del batterio di utilizzare l’azoto atmosferico (8).
Struttura e sviluppo delle cellule
Durante lo sviluppo precoce delle cellule, C. acetobutylicum macchia Gram-positivo, tuttavia, può macchiare Gram-negativo man mano che la cultura invecchia. Durante la crescita vegetativa, la cellula presenta flagelli peritrici (flagelli che coprono l’intera superficie della cellula) (1). L’aumento della motilità dei batteri è stato implicato nell’aumento della produzione di solventi a causa della chemiotassi. Gli attrattivi includono acido butirrico e zucchero. Repellenti notevoli includono acetone, butanolo ed etanolo. Questo meccanismo è logico nel permettere alla cellula di trovare nutrienti e allontanarsi dai sottoprodotti prodotti dal proprio metabolismo (9).
Inoltre, diversi sottoprodotti sono prodotti in diverse fasi di crescita in C. acetobutylicum. Durante la fase di crescita esponenziale, i prodotti primari sono acetato e butirrato. Durante questo periodo avviene anche la fissazione dell’azoto (8). Qualche tempo dopo la cella entra fase stazionaria (18 ore), la produzione di butanolo e acetone picco (1). Questa separazione temporale della fissazione dell’azoto e della produzione di solvente è vantaggiosa al fine di evitare la concorrenza per i riduttanti mediante i due processi (8).
Lo stadio principale dello sviluppo cellulare è caratterizzato dalla formazione di un endospore. Un endospore è il tipo cellulare più resistente conosciuto. Su alcuni segnali ambientali, la cellula vegetativa produce un setto subterminale (1), un evento che può essere visualizzato con microscopia elettronica . Questo setto alla fine diventa un’altra cellula, chiamata forespore, inghiottita dalla cellula originale, chiamata cellula madre. Il forespore è composto da uno strato di corteccia (principalmente peptidoglicano) e proteine di rivestimento. Questi due strati altamente resistenti circondano il nucleo, che è un citoplasma altamente disidratato. Il nucleo è definito da assolutamente nessun metabolismo che si verificano all’interno della cellula. La cellula madre lyses rilasciando la spora matura. Questa spora matura è resistente alle alte temperature, alle sostanze chimiche e a molti tipi di radiazioni, permettendole di sopravvivere per un numero straordinario di anni. Su altri segnali ambientali, come un ambiente anossico, la cellula germina e ricomincia il ciclo vegetativo (10).
La formazione di spore inizia quando la cellula è esposta a condizioni sfavorevoli. Le condizioni aerobiche, la formazione di sottoprodotti organici e la dissipazione del gradiente protonico al di fuori della membrana citoplasmatica portano alla sporulazione. Ciò è in contrasto con l’organismo modello di formazione di endospore, Bacillus subtilis, che forma endospore principalmente a causa della limitazione dei nutrienti (10).
Ecologia
Mentre il ceppo di tipo C. acetobutylicum è stato isolato dal suolo, C. acetobutylicum è onnipresente. È stato trovato in “sedimenti lacustri, acqua di pozzo e intestino di vongole” (1). Inoltre, è stato registrato in un certo numero di campioni di feci diverse, tra cui feci umane, bovine e canine (1). Una ricerca della letteratura rivela che le relazioni patogene o simbiotiche non sono documentate.
Patologia
C. acetobutylicum è completamente benigno sia per le piante che per gli animali, tuttavia, molte altre specie del genere Clostridium sono noti patogeni, tra cui: Clostridium difficile, Clostridium botulinum, Clostridium tetani e Clostridium perfringen. In particolare, C. botulinum e C. tetani, producono alcune delle neurotossine più mortali conosciute (11).
C. acetobutylicum è stato trovato nel colon umano, tuttavia, non è noto per essere una parte della normale flora umana (3). Inoltre, poiché l’organismo non sembra essere tossico per i mammiferi attraverso la produzione di sostanze intracellulari o extracellulari, l’organismo dovrebbe essere presente in quantità enormi per produrre qualsiasi minaccia (12).
L’unico problema di patologia con C. acetobutylicum sta acquisendo geni da clostridium patogeno come C. tetani o C. botulinum. Mentre non ci sono casi segnalati di C. acetobutylicum che acquisiscono questi geni, ci sono stati incidenti in letteratura in cui altre specie di clostridium hanno causato il botulismo infantile con tossine molto simili a quelle presenti in C. botulinum. La somiglianza delle tossine suggerisce che il ceppo di clostridium normalmente non tossigenico ha acquisito geni codificanti la tossina da C. botulinum, che sono probabilmente presenti su un plasmide (13).
Applicazione alla biotecnologia
Clostridium acetobutylicum ha svolto un ruolo importante nella biotecnologia per tutto il 20 ° secolo. Inizialmente, l’acetone era necessario nella produzione di gomma sintetica. Chaim Weizmann fu assunto per lavorare sul problema all’Università di Manchester e la fermentazione divenne un percorso interessante in cui acquisire l’acetone necessario per il processo. Tra il 1912 e il 1914, Weizmann isolò un certo numero di ceppi. La migliore produzione sarebbe poi venuto per essere conosciuto come Clostridium acetobutylicum. Il metodo ABE ideato da Weizmann offriva il vantaggio di una maggiore efficienza rispetto ad altri processi di fermentazione. Inoltre, poteva utilizzare l’amido di mais come substrato, mentre altri processi richiedevano l’uso di patate (3).
Lo scoppio della prima guerra mondiale nel 1914 provocò un enorme aumento della necessità di acetone. Si dimostrerebbe un punto cruciale nello sviluppo del processo ABE utilizzando l’organismo di Weizmann. L’acetone doveva essere utilizzato nella produzione di polvere da sparo senza fumo, nota come cordite. Nel corso dei prossimi anni, il processo di Weizmann sarebbe stato utilizzato in un certo numero di grandi fabbriche industriali attraverso la Gran Bretagna. Quando la Gran Bretagna fu tagliata dall’accesso al grano durante la guerra, il processo fu spostato nelle fabbriche in Canada. Quando gli Stati Uniti entrarono in guerra nel 1917, aprirono anche un certo numero di fabbriche usando il metodo Weizmann. Dopo la fine della guerra, la necessità di acetone è bruscamente diminuita. Tuttavia, le fabbriche erano ancora utilizzate per produrre butanolo, un solvente utile nella produzione di lacche per l’industria automobilistica in espansione. In precedenza, il butanolo era stato un prodotto di scarto del processo quando l’attenzione era rivolta alla produzione di acetone. Durante la fine del 1920, la domanda di butanolo ha continuato a crescere a causa della crescente industria automobilistica e un certo numero di nuovi impianti aperti con enorme capacità produttiva. Due di queste piante emettono 100 tonnellate di acetone ogni giorno. Oltre al butanolo, l’etanolo industriale veniva prodotto per una varietà di scopi. Il gas idrogeno emesso dal processo è stato utilizzato per idrogenare gli oli utilizzati per il cibo. In questo periodo, la melassa divenne il principale substrato per la fermentazione ABE. Era più economico e più efficiente dell’amido di mais. Quando il brevetto sul ceppo Weizmann è scaduto nel 1937, sono stati aperti altri nuovi impianti in tutto il paese e a livello internazionale (3).
Tuttavia, alla fine degli anni 1950 e 1960, l’industria petrolifera ha iniziato a salire a un ritmo incredibile. Inoltre, il prezzo della melassa utilizzata nella fermentazione ha iniziato a salire ripidamente. Mentre sono stati sviluppati metodi di fermentazione più efficienti, alla fine non potevano competere con la produzione petrolchimica dei solventi industriali e la maggior parte degli impianti fu chiusa entro il 1957(3). Tuttavia, con il continuo aumento dei prezzi del petrolio, ci sono stati studi per riconsiderare la fermentazione come fonte di solventi industriali. Alcuni di questi processi hanno tentato di aumentare l’efficienza del processo utilizzando la manipolazione genetica (14). Altri hanno esaminato l’utilizzo di prodotti di scarto come siero di latte o trucioli di legno come substrato (15).
Ricerca attuale
C. acetobutylicum è stato al centro della ricerca come meccanismo specifico di consegna di farmaci terapeutici alle regioni cancerose del corpo. C. l’acetobutylicum è necessariamente anaerobico e quindi l’iniezione endovenosa di spore comporterà la germinazione solo nelle regioni ipossiche di tumori solidi nel corpo. La manipolazione genetica di C. acetobutylicum al fine di produrre enzimi che attiveranno i farmaci pro all’interno della regione tumorale fornisce un meccanismo di consegna estremamente specifico a questi siti tumorali (16).
Alcune delle più recenti ricerche hanno studiato metodi alternativi per produrre i solventi industriali che C. acetobutylicum è stato utilizzato per l’ultimo secolo per produrre. In particolare, il butanolo ha ricevuto particolare attenzione come possibile fonte di carburante alternativo per le automobili. Butanolo ed etanolo, entrambi prodotti di fermentazione da C. acetobutylicum, sono stati studiati intensamente. Dei due, il butanolo presenta vantaggi rispetto all’etanolo come fonte di carburante, oltre a molti possibili benefici rispetto alle attuali fonti di carburante, in quanto può offrire emissioni inferiori e maggiore efficienza. Il fattore più importante nel costo della produzione di butanolo è associato al costo e alla disponibilità del substrato. Gli studi sono stati quindi orientati verso nuovi metodi di utilizzo di substrati economici. In uno studio del 2006, è stata proposta la fermentazione del butanolo tramite un nuovo processo brevettato in sostituzione del processo ABE. Implica l’uso di fibra di mais (in particolare xilema), come substrato per C. acetobutylicum, per produrre butanolo economico. Il principale vantaggio di questa tecnica è che la fibra di mais è un sottoprodotto in molti processi agricoli e fornisce un’abbondante fonte di substrato (17).
Un’altra intensa fonte di studio per C. acetobutylicum è la produzione di gas idrogeno come fonte di energia alternativa. Il gas idrogeno contiene una grande quantità di energia, che potrebbe essere una benzina alternativa estremamente vantaggiosa. In particolare, l’uso di gas idrogeno non produce anidride carbonica o gas serra. La maggior parte dell’idrogeno gassoso è attualmente prodotta utilizzando fonti non rinnovabili; un mezzo alternativo di produzione attraverso la fermentazione sarebbe estremamente prezioso se le rese potessero essere aumentate enormemente. Pertanto, una serie di diversi metodi di fermentazione che potrebbero essere utilizzati per migliorare le rese sono stati esplorati nella ricerca più recente che coinvolge C. acetobutylicum. In particolare, un reattore a letto di rivolo che utilizza il glucosio come substrato è stato presentato come una possibilità, anche se le rese sono troppo basse per essere utilizzate industrialmente. Tuttavia, una sorta di applicazione di un letto di rivolo è vista come un possibile mezzo di produzione in futuro (18).
Tassonomia: NCBI
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A cura di Mark Hower, allievo di Rachel Larsen e Kit Pogliano
