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); クロストリジウム属
種
Clostridium acetobutylicum
Clostridium acetobutylicum ATCC824はタイプ株と考えられている。
NCBI:分類法
説明と意義
Clostridium acetobutylicumはグラム陽性桿菌である(1)。 C.acetobutylicumは、多くの異なる環境で発見されているが、ほとんどの場合、土壌の住居です。 それは10-65°C.の最適の温度とのmesophilicです。 さらに、この生物は糖分解性（糖を分解することができる）であり（1）、多くの異なる商業的に有用な製品を生産することができる。
C.acetobutylicumは、その栄養状態で成長するために嫌気性条件を必要とする。 その栄養状態では、それは全体の表面を横切って鞭毛を介して運動性である。 それは好気性の条件の幾年もの間持続できるendosporesを形作る好気性の条件の数時間までしか存続できません。 これらの胞子が良好な嫌気性条件にある場合にのみ、栄養成長が継続されます（1）。
1912年から1914年の間に初めて単離された(2)。 カイム-ヴァイツマンはこの細菌を培養してアセトン、エタノール、ブタノールを生産し、ABE法と呼ばれる方法で生産した。 したがって、C.acetobutylicumはしばしば”Weizmann生物”と呼ばれることが適切である。「この製品は、第一次世界大戦（3）でTNTと火薬の製造に使用されました。 第一次世界大戦後、石油化学プロセスが石油燃料源のコストと利用可能性のためにより費用対効果が高くなる1950年代まで、阿部プロセスが広く使用されていました。 最近の化石燃料危機は、c.acetobutylicumとABEプロセスの利用に関するより多くの研究に拍車をかけています(2)。
産業用の重要な細菌であることに加えて、C.acetobutylicumは細菌の内胞子形成のモデルとして研究されています。 これは、最も頻繁に研究された内胞子細菌、枯草菌（と比較されている2）。 多くの内胞子形成細菌は、バチルス属とクロストリジウム属の両方で、ヒトの病原体であるため、内胞子形成の経路を理解することが重要である。
最も一般的に研究されている株は、タイプ株ATCC824である。 この株は、1924年にコネチカット州の庭から土壌中で発見され、単離された。 研究は、広く研究ATCC824が密接にアセトン（2）の初期の工業生産に使用されるワイツマン株に関連していることが示されています。
ゲノム構造
Clostridium acetobutylicum ATCC824のゲノムはショットガンアプローチを用いて配列決定されている。 これは、溶媒産生細菌のモデル株である。 ゲノムは1つの環状染色体と環状プラスミドからなる。 染色体には3,940,880塩基対が含まれています。 遺伝子の約51.5％が前方鎖から転写され、49.5％が相補鎖から転写されると、鎖バイアスはほとんどありません（2）。
細菌に共通する注目された遺伝子には、リボソームをコードする11個のオペロンが含まれる。 これらのオペロンのそれぞれがoriC（複製の起源）の近くにあり、複製フォークの先頭鎖の方向に配向していることは興味深い。 (2). これは、高度に転写された遺伝子がoriCの近くに配置される遺伝子投与量として一般的に観察される特徴である。 これらの遺伝子の配向のために、DNAが複製される過程にあり、細胞内に存在する遺伝子の追加のコピーがある間、それらはより多くの数で転写される。
さらに、ゲノムには大きなプラスミド（メガプラスミドと呼ばれる）が一つ含まれています。 このプラスミドは、溶媒産生に関与するほぼすべての遺伝子を含んでいるようであり、適切にpsol1と命名されている。 psol1は192,000塩基対と178ポリペプチドのコードが含まれています。 プラスミドの検査では、鎖がコード鎖であるバイアスがないことを示している（2）。
Clostridium acetobutylicumを連続培養したり、多くの転写を受けたりすると、株はゆっくりと退化し、溶媒生産能力を失う。 変性の原因を決定するための実験は、psol1は、アルコールとアセトンの生産のために不可欠である四つの遺伝子が含まれていることを示しています。 多くの移動または継続的な栄養成長の過程で、このプラスミドは失われる。 株変性につながるこのプラスミドの損失のためのさらなる証拠は、これらの遺伝子を欠いており、溶媒を産生することができない変異体は、プラスミドを介して遺伝子の相補性時にアセトンとアルコールの生産を再開することである(4)。
その他、ATCC4259のようなあまり研究されていないC.acetobutylicum株も同様の変性を示している。 この株のプラスミドはｐｗｅｉｚと命名される。 再び、この株の連続培養による変性は、最終的な損失pWEIZのために起こると考えられている。 興味深いことに、これらの縮退した株も胞子を形成しないので、この株は注目に値する。 このことは、胞子形成に関与する遺伝子が、ATCC4259およびタイプ株ATCC824の両方のプラスミド上にも存在するという考えに拍車をかけている（4、2）。
エネルギー代謝と副生成物
Clostridium acetobutylicumは化学有機性物質である。 それは発酵によって基質のリン酸化によってエネルギーを得ます。 すべての発酵と同様に、基質は電子供与体および受容体として作用する有機分子である。 それは、それが有機分子から来る炭素のその供給源と従属栄養であることになる。 特に、c.acetobutylicumは、生き残るために発酵を受けることができる炭水化物源を必要とする（1）。
また、c.acetobutylicumは偏性嫌気性菌である。 それは好気性の環境の大いにより長い一定期間の間存続する手段として胞子形成を経る前に好気性の環境の時間しか存続できません。 これは、カタラーゼ、酸素代謝、過酸化水素の有毒な副産物を水と酸素に変換するために好気性生物のために重要な酵素の活性を表示しません（5）。 しかし、それはスーパーオキシドジスムターゼのようなマイクロ酸素環境で生き残ることを可能にする多くの酵素を含んでいます。 これらの酵素は、酸素の存在下でアップレギュレートされ、微小酸素環境（6）での短期的な細胞生存に寄与しています。
c.acetobutylicumは、炭素だけでなく、エネルギー源として多くの異なる発酵性炭水化物を使用することができます。 キシラン、レバン、ペクチン、デンプン、および他の多糖類の分解を助けるタンパク質のゲノムコード（2）。 興味深いことに、一般的にセルソームをコードする遺伝子、結晶セルロースを分解するタンパク質複合体が存在するが、生物はセルロース基質上のみで成長することができない（7）。
産業発酵操作を改善するために、Clostridium acetobutylicumの代謝経路にかなりの研究が投資されています。 工業的に有用な溶媒を産生する代謝経路はＣ．ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍで最も顕著である。 溶媒アセトン、アセテート、ブタノール、酪酸、およびエタノールはすべて、一般的な前駆体、アセチルCoA（2）から誘導されます。 これらの生成物に加えて、CO2およびH2が生成される（1）。
もう一つの注目すべき代謝経路は、いくつかのクロストリジウム（C.acetobutylicumを含む）が大気中の窒素を「固定」することができることである。 窒素固定のプロセスは生合成によって分子に組み込まれるアンモナルに大気N2を減らします。 これは、標識された形態の窒素、１ ５Ｎ２を用いて決定した。 配列決定後、C. c.pasteurianumの窒素固定遺伝子と非常に類似した一連の遺伝子であるacetobutylicum ATCC824が発見され、大気中の窒素を利用する細菌の能力がさらに確認されました（8）。
細胞の構造と発達
細胞の発達初期には、c.acetobutylicumはグラム陽性を染色しますが、培養の年齢とともにグラム陰性を染色することがあります。 栄養成長の間、細胞は周囲鞭毛（細胞の表面全体を覆う鞭毛）を有する（1）。 細菌の運動性の増加は、走化性に起因する溶媒産生の増加に関与していると考えられている。 誘引剤には酪酸および糖が含まれる。 注目すべき忌避剤としては、アセトン、ブタノール、エタノールが挙げられる。 このメカニズムは、細胞が栄養素を見つけて、それ自身の代謝によって産生される副産物から離れることを可能にすることに論理的である（9）。
さらに、C.acetobutylicumの異なる成長段階で異なる副生成物が生成される。 指数関数的成長段階では、主な生成物は酢酸および酪酸である。 この間、窒素固定も行われている（8）。 細胞が静止相（18時間）に入った後のいくつかの時間、ブタノールおよびアセトンの生産はピーク（1）。 この窒素固定の時間的分離と溶媒の生成は、２つのプロセスによる還元剤の競合を回避するために有利である（８）。
細胞発生の主要な段階は、内孔の形成によって特徴付けられる。 内胞子は、既知の最も耐性のある細胞型である。 特定の環境の手がかりに、栄養細胞は、電子顕微鏡で見ることができるイベントを終末下隔壁（1）を生成します。 この中隔は、最終的に母細胞と呼ばれる元の細胞に包まれた前孔と呼ばれる別の細胞になる。 前孔は、皮質（主にペプチドグリカン）とコートタンパク質の層で構成されています。 これらの2つの非常に耐性のある層は、高度に脱水された細胞質であるコアを取り囲んでいます。 コアは、細胞内では絶対に代謝が起こらないことによって定義されています。 母細胞は成熟した胞子を放出する溶解する。 この成熟した胞子は、高温、化学物質、および多くの種類の放射線に耐性があり、異常な数の年間生き残ることができます。 無酸素環境のような他の環境的手がかりの際に、細胞は発芽し、再び栄養サイクルを開始する（10）。
細胞が不利な条件にさらされると胞子の形成が始まります。 好気性条件、有機副生成物の形成、および細胞質膜の外側のプロトン勾配の散逸はすべて胞子形成につながる。 これは、主に栄養素の制限のために内胞子を形成する内胞子形成のモデル生物、枯草菌とは対照的である（10）。
土壌からアセトブチリクムを単離したが，ｃ．ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍは遍在していた。 それは”湖の堆積物、井戸水、およびアサリの腸”（1）で発見されています。 さらに、ヒト、ウシ、イヌの糞便を含む多くの異なる糞便標本に記録されている（1）。 文献の検索は、病原性または共生関係が文書化されていないことを明らかにする。
病理学
C.acetobutylicumは植物と動物の両方に完全に良性ですが、Clostridium属の他の多くの種は既知の病原体であり、以下を含む: クロストリジウム-ディフィシル、クロストリジウム-ボツリヌス、クロストリジウム-テタニ、クロストリジウム-パーフリンゲン。 特に、c.ボツリヌス菌とc.テタニは、知られている最も致命的な神経毒のいくつかを産生する（11）。
c.acetobutylicumはヒトの結腸で発見されていますが、正常なヒトの植物相の一部であることは知られていません(3)。 さらに、生物は細胞内または細胞外物質の産生を通じて哺乳動物に毒性がないように見えるため、生物は脅威を生み出すために膨大な量で存在しな
C.acetobutylicumの病理学の唯一の問題は、C.tetaniやC.botulinumなどの病原性クロストリジウムから遺伝子を取得することです。 これらの遺伝子を獲得したC.acetobutylicumの報告されたケースはないが、他のClostridium種がC.botulinumに存在するものと非常に類似した毒素で幼児ボツリヌス中毒を引き起こした文献には事件があった。 毒素の類似性は、通常は非毒素性クロストリジウム株は、プラスミド（13）上に存在する可能性が高いc.ボツリヌスから毒素コード遺伝子を取得したことを示唆している。
バイオテクノロジーへの応用
Clostridium acetobutylicumは、20世紀を通じてバイオテクノロジーにおいて重要な役割を果たしてきました。 当初、アセトンは合成ゴムの製造に必要であった。 チャイム-ヴァイツマンはマンチェスター大学でこの問題に取り組むために雇われ、発酵はプロセスに必要なアセトンを獲得する魅力的なルートとなった。 1912年から1914年の間に、ヴァイツマンはいくつかの株を単離した。 最もよい作成はClostridiumのacetobutylicumとして後で知られることを来ます。 Weizmannによって考案されたABE法は、他の発酵プロセスよりも効率が高いという利点を提供しました。 他のプロセスは、ジャガイモ（の使用を必要としたのに対し、加えて、それは、基板としてトウモロコシ澱粉を使用することができます3）。
1914年の第一次世界大戦の勃発により、アセトンの必要性が大幅に増加しました。 これは、ヴァイツマンの生物を利用したABEプロセスの開発における重要なポイントを証明するだろう。 アセトンは、コーダイトとして知られている無煙火薬の製造に使用されることになっていた。 今後数年間、ヴァイツマンのプロセスは、英国を通じて多くの大規模な産業工場で利用されることになりました。 イギリスが戦争中に穀物へのアクセスを遮断されたとき、プロセスはカナダの工場に移されました。 米国が1917年に戦争に入ったとき、それはまた、ヴァイツマン法を使用して工場の数をオープンしました。 戦争が終わった後、アセトンの必要性は突然低下した。 しかし、拡大する自動車産業のためのラッカーの生産に有用な溶媒であるブタノールの製造には、工場が依然として使用されていました。 以前は、ブタノールは、アセトンの生産に焦点を当てたときにプロセスの廃棄物でした。 1920年代後半を通じて、ブタノールの需要は自動車産業の成長と膨大な出力容量を持つ新しい工場の数によってエスカレートし続けました。 二つのそのような植物は、毎日アセトンの100トンを出します。 ブタノールに加えて、工業用エタノールは様々な目的のために製造されていた。 このプロセスによって放出された水素ガスは、食品に使用される油を水素化するために使用された。 この頃、糖蜜は阿部発酵の主要な基質となった。 それはトウモロコシの澱粉より安く、有効でした。 ヴァイツマン株に関する特許が1937年に失効したとき、より多くの新しい工場は、全国だけでなく、国際的に開かれた（3）。
しかし、1950年代後半から1960年代にかけて、石油産業は信じられないほどの速度で上昇し始めました。 さらに、発酵に使用される糖蜜の価格は急激に上昇し始めた。 より効率的な発酵方法が開発されたが、最終的には工業用溶剤の石油化学生産と競合することができず、ほとんどの工場は1957年までに閉鎖された（3）。 しかし、石油価格の上昇が続く中で、発酵を工業用溶媒の供給源として再考するための研究が行われてきました。 これらのプロセスのいくつかは、遺伝子操作を使用してプロセスの効率を高めることを試みている（14）。 他の人は、基材としてホエーまたは木材削りくずなどの廃棄物を使用して検討している（15）。
現在の研究
C.acetobutylicumは、身体の癌領域への治療薬の送達の特定のメカニズムとしての研究の焦点となっている。 C. acetobutylicumは必然的に嫌気性であり、したがって胞子の静脈内注射は、体内の固形腫瘍の低酸素領域でのみ発芽をもたらす。 腫瘍領域内でプロドラッグを活性化する酵素を産生するためのC.acetobutylicumの遺伝子操作は、これらの腫瘍部位に非常に特異的な送達機構を提供する（16）。
最新の研究のいくつかは、C.acetobutylicumが前世紀に生産するために使用されてきた工業用溶媒を製造するための代替方法を検討しています。 特に、ブタノールは自動車の代替燃料として特に注目されています。 Ｃ．ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍによる発酵生成物であるブタノールとエタノールを激しく研究した。 このうち、ブタノールは、燃料源としてのエタノールよりも利点があり、現在の燃料源よりも多くの可能な利点があり、排出量が少なく効率が向上する可 ブタノール生産のコストの最も重要な要因は、基板のコストと可用性に関連しています。 従って調査は安い基質を利用する新しい方法の方に連動になっていました。 2006年の研究では、ABEプロセスに代わる新しい特許取得済みのプロセスによるブタノール発酵が提案された。 それは安いブタノールを作り出すために、c.acetobutylicumのための基質としてトウモロコシ繊維（とりわけ木部）の使用を、含みます。 この技術の主な利点は、トウモロコシ繊維が多くの農業プロセスにおける副産物であり、基質の豊富な供給源を提供することである（17）。
c.acetobutylicumのもう一つの強力な研究源は、代替エネルギー源としての水素ガス生産です。 水素ガスには大量のエネルギーが含まれており、非常に有益な代替ガソリンになる可能性があります。 特に、水素ガスの使用は、二酸化炭素または温室効果ガスを生成しない。 ほとんどの水素ガスは現在再生不可能な源を使用して作り出されます;収穫が途方もなく高めることができれば発酵による生産の代替手段は非常に価値があります。 したがって、収率を改善するために使用することができる異なる発酵方法の数は、C.acetobutylicumを含む最新の研究で検討されています。 特にグルコースを基質とするトリクルベッド反応器が可能性として提示されているが，収率は低すぎて工業的に使用することはできない。 しかし、トリクルベッドのアプリケーションのいくつかの並べ替えは、将来的に生産の可能な手段として見られている（18）。
分類:NCBI
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マーク-ハワー、レイチェル-ラーセンとキット-ポグリアーノの学生によって編集
