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 (Slekt)
Arter
Clostridium acetobutylicum
Clostridium acetobutylicum ATCC 824 regnes som typen stamme.
NCBI: Taksonomi
Beskrivelse og betydning
Clostridium acetobutylicum er En Gram-positiv bacillus (1). C. acetobutylicum er oftest jord bolig, selv om det har blitt funnet i en rekke forskjellige miljøer. Det er mesofilt med optimale temperaturer på 10-65°C. I tillegg er organismen sakkarolytisk (kan bryte ned sukker) (1) og i stand til å produsere en rekke forskjellige kommersielt nyttige produkter; spesielt aceton, etanol og butanol (2).
c. acetobutylicum krever anaerobe forhold for å vokse i sin vegetative tilstand. I sine vegetative tilstander er det motilt via flagella over hele overflaten. Det kan bare overleve opptil flere timer i aerobic forhold, der det vil danne endosporer som kan vare i mange år, selv i aerobic forhold. Først når disse sporene er i gunstige anaerobe forhold, vil vegetativ vekst fortsette (1).
Det ble først isolert mellom 1912 og 1914 (2). Chaim Weizmann kultiverte bakteriene for å produsere aceton, etanol og butanol i en prosess som kalles ABE-metoden. Således er Det passende At c. acetobutylicum ofte kalles ” weizmann organismen.”Produktene ble deretter brukt i produksjon AV TNT og krutt i første Verdenskrig (3). ETTER WWI ble ABE-prosessen mye brukt til 1950-tallet da petrokjemiske prosesser ble mer kostnadseffektive på grunn av kostnadene og tilgjengeligheten av petroleumsbrenselkilder. Den siste fossile brenselkrisen har ansporet mer forskning På c. acetobutylicum og bruken AV ABE-prosessen (2).
I Tillegg til å være en viktig bakterie for industriell bruk, studeres c. acetobutylicum som modell for endospordannelse i bakterier. Det har blitt sammenlignet med De mest studerte endospore bakteriene, Bacillus subtilis (2). Å forstå veiene for endospore-dannelse er viktig fordi mange endospore-dannende bakterier er humane patogener, både I Bacillus og Clostridium-slektene.
den mest studerte stammen er typen-stammen, ATCC 824. Denne stammen ble oppdaget og isolert i jord fra En Connecticut hage i 1924. Forskning har indikert at den mye studerte ATCC 824 er nært knyttet Til weizmann-stammen som brukes i tidlig industriell produksjon av aceton (2).
Genomstruktur
genomet Av Clostridium acetobutylicum ATCC 824 har blitt sekvensert ved hjelp av hagle tilnærming. Dette er modellstammen for løsemiddelproduserende bakterier. Genomet består av ett sirkulært kromosom og et sirkulært plasmid. Kromosomet inneholder 3.940.880 basepar. 51,5% av genene transkriberes fra foroverstrengen og 49,5% fra komplementærstrengen (2).
Noterte gener som er felles for bakterier, inkluderer de 11 operonene som koder for ribosomer. Det er interessant at hver av disse operonene er nær oriC (opprinnelse av replikering) og orientert i retning av den ledende strengen av replikasjonsgaffelen. (2). Dette er en karakteristisk vanligvis observert kjent som gendosering, hvor høyt transkriberte gener plasseres nær oriC. På grunn av orienteringen av disse genene, vil DE bli transkribert i større antall MENS DNA er i ferd med å bli replikert, og det er flere kopier av genet tilstede i cellen.
i tillegg inneholder genomet av ett stort plasmid (kalt megaplasmid). Dette plasmidet ser ut til å inneholde nesten alle gener involvert i løsemiddelproduksjon og er passende kalt pSOL1. pSOL1 inneholder 192 000 basepar og koder for 178 polypeptider. Undersøkelse av plasmid indikerer ingen skjevhet i hvilken tråd er kodende tråd (2).
Når Clostridium acetobutylicum dyrkes i kontinuerlig kultur eller gjennomgår mange overføringer, degenererer stammen sakte ved at den mister sin evne til løsemiddelproduksjon. Eksperimenter for å finne ut hva som forårsaker degenerasjon har vist at pSOL1 inneholder fire gener som er avgjørende for alkohol og aceton produksjon. I løpet av mange overføringer eller fortsatt vegetativ vekst, går dette plasmidet tapt. Ytterligere bevis for tap av dette plasmidet som fører til belastningsdegenerasjon er at mutanter mangler disse genene og ikke kan produsere løsningsmiddel gjenoppta aceton og alkoholproduksjon ved komplementering av gener via plasmider (4).
Andre, mindre studerte stammer Av c. acetobutylicum som ATCC 4259 har vist lignende degenerasjon. Plasmidet i denne stammen heter pWEIZ. Igjen, degenerasjon på grunn av seriell dyrking av denne stammen antas å oppstå på grunn av eventuelt tap pWEIZ. Denne stammen er verdt å merke seg fordi, interessant, disse degenererte stammene også ikke sporulerer. Dette har ansporet ideen om at gener involvert i sporulering også eksisterer på plasmidet i BÅDE ATCC 4259 samt typestammen, ATCC 824 (4, 2).
energi metabolisme og biprodukter
Clostridium acetobutylicum er en kjemoorganotroph. Den oppnår energi via substratfosforylering ved gjæring. Som med all gjæring er substratet organiske molekyler som fungerer som elektrondonor og akseptor. Det følger at det er heterotrofisk med sin karbonkilde som kommer fra organiske molekyler. Spesielt Krever c. acetobutylicum en karbohydratkilde som er i stand til å gjennomgå gjæring for å overleve (1).
I tillegg Er c. acetobutylicum en obligatorisk anaerob. Den kan bare overleve timer i et aerob miljø før den gjennomgår sporulering som et middel til å overleve i mye lengre perioder i det aerobe miljøet. Det viser ingen aktivitet av katalase, et enzym som er viktig for aerobe organismer for å konvertere et giftig biprodukt av oksygenmetabolisme, hydrogenperoksid, til vann og oksygen (5). Imidlertid inneholder den mange enzymer som tillater det å overleve i mikrooksiske miljøer, som superoksiddismutase. Disse enzymene blir oppregulert i nærvær av oksygen og bidrar til kortvarig celleoverlevelse i mikrooksiske miljøer (6).
c. acetobutylicum er i stand til å bruke en rekke forskjellige gjærbare karbohydrater som en energi, så vel som karbon, kilde. Genomet koder for proteiner som hjelper til med nedbryting av xylan, levan, pektin, stivelse og andre polysakkarider (2). Interessant, mens gener som vanligvis koder for cellusomer, proteinkomplekser som bryter ned krystallinsk cellulose, er tilstede, er organismen ikke i stand til å vokse utelukkende på cellulosesubstrater (7).
Betydelig forskning har blitt investert i metabolske veier Av Clostridium acetobutylicum for å forbedre industrielle gjæringsoperasjoner. De metabolske veiene som produserer industrielle nyttige løsningsmidler er mest bemerkelsesverdige I c. acetobutylicum. Løsningsmidlene aceton, acetat, butanol, butyrat og etanol er alle avledet fra den vanlige forløperen acetyl-CoA (2). I tillegg til disse produktene produseres CO2 og H2 (1).
En annen bemerkelsesverdig metabolsk vei er at Noen Clostridier (inkludert c. acetobutylicum) er i stand til å “fikse” atmosfærisk nitrogen. Prosessen med nitrogenfiksering reduserer atmosfærisk N2 til ammoniakk som deretter innlemmes i molekyler via biosyntese. Dette ble bestemt ved bruk AV en merket form av nitrogen, 15N2. Etter sekvensering, C. acetobutylicum ATCC 824, en serie gener som ligner nitrogenfikserende gener I c. pasteurianum ble funnet, noe som ytterligere bekrefter bakteriens evne til å utnytte atmosfærisk nitrogen (8).
Cellestruktur og utvikling
Under tidlig celleutvikling flekker c. acetobutylicum Gram-positive, men det kan flekke Gram-negative som kulturen aldre. Under vegetativ vekst har cellen peritrichous flagella (flagella som dekker hele overflaten av cellen) (1). Økt motilitet av bakteriene har vært involvert i økt løsemiddelproduksjon på grunn av kjemotaksis. Attractants inkluderer smørsyre og sukker. Kjente repellenter inkluderer aceton, butanol og etanol. Denne mekanismen er logisk i å la cellen finne næringsstoffer og bevege seg bort fra biprodukter produsert av egen metabolisme (9).
i tillegg produseres forskjellige biprodukter i forskjellige faser av vekst I c. acetobutylicum. Under eksponentiell vekstfase er primærprodukter acetat og butyrat. I løpet av denne tiden finner nitrogenfiksering også sted (8). Noen tid etter at cellen går inn i stasjonær fase (18 timer), produksjon av butanol og aceton topp (1). Denne tidsmessige separasjonen av nitrogenfiksering og produksjon av løsningsmiddel er fordelaktig for å unngå konkurranse om reduktanter ved de to prosessene (8).
hovedfasen av celleutvikling er preget av dannelsen av en endospore. En endospore er den mest resistente celletypen som er kjent. Ved visse miljøsignaler produserer den vegetative cellen en subterminal septum (1), en hendelse som kan ses med elektronmikroskopi . Denne septum blir til slutt en annen celle, kalt forespore, oppslukt av den opprinnelige cellen, kalt modercellen. Foresporen består av et lag av cortex (primært peptidoglykan) og frakkproteiner. Disse to svært resistente lagene omgir kjernen, som er en svært dehydrert cytoplasma. Kjernen er definert av absolutt ingen metabolisme som forekommer i cellen. Modercellen lyser ut de modne spor. Denne modne spore er motstandsdyktig mot høy temperatur, kjemikalier og mange typer stråling slik at den kan overleve i ekstraordinære antall år. Ved andre miljøsignaler, som et anoksisk miljø, sprer cellen seg og begynner den vegetative syklusen igjen (10).
Spordannelse begynner når cellen er utsatt for ugunstige forhold. Aerobe forhold, dannelse av organiske biprodukter og spredning av protongradienten utenfor cytoplasmisk membran fører alle til sporulering. Dette er i motsetning til Modellorganismen for endospordannelse, Bacillus subtilis, som danner endosporer hovedsakelig på grunn av begrensning av næringsstoffer (10).
Økologi
mens typen stamme Av C. acetobutylicum ble isolert fra jord, c. acetobutylicum er allestedsnærværende. Det har blitt funnet i “lake sediment, godt vann, og musling gut” (1). I tillegg har det blitt registrert i en rekke forskjellige avføringsprøver, inkludert menneskelig, storfe og hund avføring (1). Et søk i litteraturen avslører at patogene eller symbiotiske forhold ikke er dokumentert.
Patologi
c. acetobutylicum er helt godartet for både planter og dyr, men mange andre arter i Clostridium-slekten er kjente patogener, inkludert: Clostridium difficile, clostridium botulinum, Clostridium tetani og clostridium perfringen. Spesielt Produserer c. botulinum og c. tetani noen av de mest dødelige nevrotoksinene som er kjent (11).
c. acetobutylicum er funnet i humant kolon, men det er ikke kjent å være en del av normal human flora (3). I tillegg, fordi organismen ikke ser ut til å være giftig for pattedyr gjennom produksjon av intracellulære eller ekstracellulære stoffer, må organismen være tilstede i enorme mengder for å produsere noen trussel (12).
det eneste problemet med patologi Med c. acetobutylicum er å skaffe gener fra patogen Clostridium som c. tetani eller c. botulinum. Mens Det ikke er rapportert tilfeller Av c. acetobutylicum anskaffe disse genene, har det vært hendelser i litteraturen der Andre Clostridium arter har forårsaket spedbarn botulisme med giftstoffer svært lik de som finnes I c. botulinum. Likhetene i toksinene tyder på at Den normalt ikke-toksigene Clostridiumstammen kjøpte toksinkodende gener Fra c. botulinum, som sannsynligvis er tilstede på et plasmid (13).
Søknad Til Bioteknologi
Clostridium acetobutylicum har spilt en viktig rolle i bioteknologi gjennom hele det 20.århundre. I utgangspunktet var det nødvendig med aceton i produksjonen av syntetisk gummi. Chaim Weizmann ble ansatt for å arbeide med problemet Ved Manchester University og gjæring ble en attraktiv rute for å skaffe aceton nødvendig for prosessen. Mellom 1912 og 1914 isolerte Weizmann en rekke stammer. Den beste produksjonen vil senere bli kjent som Clostridium acetobutylicum. ABE-metoden utviklet Av Weizmann tilbød fordelen av økt effektivitet over andre gjæringsprosesser. I tillegg kunne det bruke maisstivelse som substrat, mens andre prosesser krevde bruk av poteter (3).
utbruddet av Første Verdenskrig i 1914 resulterte i en stor økning i behovet for aceton. DET ville vise seg å være et sentralt punkt i UTVIKLINGEN AV ABE-prosessen ved bruk Av weizmanns organisme. Aceton ble brukt i produksjon av smokeless krutt, kjent som cordite. I løpet Av de neste årene vil weizmanns prosess bli benyttet i en rekke store industrielle fabrikker gjennom Storbritannia. Da Storbritannia ble avskåret fra tilgang til korn under krigen, ble prosessen flyttet til fabrikker I Canada. Da Usa gikk inn i krigen i 1917, åpnet Det også En rekke fabrikker ved Hjelp Av Weizmann-metoden. Etter krigen avsluttet, falt behovet for aceton brått. Fabrikkene ble imidlertid fortsatt brukt til å produsere butanol, et nyttig løsningsmiddel i produksjon av lakker for den voksende bilindustrien. Tidligere hadde butanol vært et avfallsprodukt av prosessen når fokuset var på produksjon av aceton. Gjennom slutten av 1920-tallet fortsatte etterspørselen etter butanol å eskalere på grunn av den voksende bilindustrien og en rekke nye anlegg åpnet med enorm produksjonskapasitet. To slike planter legger ut 100 tonn aceton hver dag. I tillegg til butanol ble industriell etanol produsert for en rekke formål. Hydrogengassen som ble gitt av prosessen ble brukt til å hydrogenere oljer som ble brukt til mat. På omtrent denne tiden ble melasse det ledende substratet FOR ABE-gjæring. Det var billigere og mer effektivt enn maisstivelse. Da patentet på weizmann-stammen utløp i 1937, ble det åpnet flere nye anlegg over hele landet og internasjonalt (3).
men på slutten av 1950-og 1960-tallet begynte petroleumsindustrien å klatre i en utrolig hastighet. I tillegg begynte prisen på melasse brukt i gjæring å klatre bratt. Mens mer effektive gjæringsmetoder ble utviklet, kunne de til slutt ikke konkurrere med petrokjemisk produksjon av de industrielle løsningsmidlene, og de fleste planter ble stengt av 1957 (3). Men med den fortsatte økningen i petroleumsprisene har det vært siden studier for å revurdere gjæring som en kilde til industrielle løsemidler. Noen av disse prosessene har forsøkt å effektivisere prosessen ved hjelp av genetisk manipulasjon (14). Andre har undersøkt med avfallsprodukter som myse eller trespon som substrat (15).
c. acetobutylicum har vært fokus for forskning som en spesifikk mekanisme for levering av terapeutiske legemidler til kreftområder i kroppen. C. acetobutylicum er nødvendigvis anaerob og derfor vil intravenøs injeksjon av sporer resultere i spiring bare i hypoksiske områder av faste svulster i kroppen. Genetisk manipulering Av c. acetobutylicum for å produsere enzymer som vil aktivere pro-legemidler i tumorområdet, gir en ekstremt spesifikk leveringsmekanisme til disse svulststedene (16).
Noen av de nyeste undersøkelsene har undersøkt alternative metoder for å produsere de industrielle løsningsmidlene Som c. acetobutylicum har blitt brukt i det siste århundre for å produsere. Spesielt har butanol fått spesiell oppmerksomhet som en mulig alternativ drivstoffkilde for biler. Butanol og etanol, begge produkter av gjæring Av c. acetobutylicum, har blitt studert intensivt. Av de to har butanol fordeler over etanol som drivstoffkilde, samt mange mulige fordeler over dagens drivstoffkilder, ved at det kan gi lavere utslipp og økt effektivitet. Den viktigste faktoren i kostnaden for butanolproduksjon er knyttet til kostnaden og tilgjengeligheten av substratet. Studier har derfor vært rettet mot nye metoder for å utnytte billige underlag. I en 2006-studie ble butanolfermentering via en ny patentert prosess som erstatning FOR ABE-prosessen foreslått. Det innebærer bruk av maisfiber (spesielt xylem), som substrat For c. acetobutylicum, for å produsere billig butanol. Den store fordelen med denne teknikken er at maisfiber er et biprodukt i mange landbruksprosesser og gir en rikelig kilde til substrat (17).
En annen intens studiekilde For c. acetobutylicum er hydrogengassproduksjon som en alternativ energikilde. Hydrogengass inneholder en stor mengde energi, noe som kan være et svært gunstig alternativ bensin. Spesielt gir bruk av hydrogengass ingen karbondioksid eller klimagasser. De fleste hydrogengass produseres for tiden ved hjelp av ikke-fornybare kilder; et alternativt produksjonsmiddel via gjæring ville være ekstremt verdifullt hvis utbyttet kunne økes enormt. Dermed utforskes en rekke forskjellige gjæringsmetoder som kan brukes til å forbedre utbyttet i den nyeste forskningen som involverer c. acetobutylicum. Spesielt har en trickle bed reaktor som bruker glukose som substrat blitt presentert som en mulighet, selv om utbyttet er for lavt til å bli brukt industrielt. En eller annen form for bruk av en sildeseng blir imidlertid sett på som et mulig middel for produksjon i fremtiden (18).
Taksonomi: NCBI
(1) Cato, E. P., W. L. George, Og S. M. Finegold. 1986. Genus Clostridium, s.1141-1200. I: P. H. A. Sneath et al. (eds.), Bergeys Håndbok For Systematisk Bakteriologi, Vol. 2. Williams Og Wilkins, Baltimore, MD.
(2) Nolling j et al., “Genomsekvens og komparativ analyse av løsemiddelproduserende bakterien Clostridium acetobutylicum.”, J Bakteriol, 2001 August; 183 (16): 4823-38.
(3) Jones, D. T. Og D. R. Woods. 1986. Aceton-butanol gjæring revisited. Mikrobiol. Åp 50: 484-524.
(4) Cornillot, E., R. V. Nair, E. T. Papoutsakis og P. Soucaille. 1997. Genene for butanol og acetondannelse I Clostridium acetobutylicum ATCC 824 ligger på et stort plasmid hvis tap fører til degenerasjon av stammen. J. Bakteriol. 179:5442-5447.
(5) Zhang H, Bruns MA, Logan VÆRE.(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 Og C. Hollergschwandner, Initiering av endospore-dannelse i Clostridium acetobutylicum, Anaerobe 10 (2004), s. 69-74.
(11) Hill, E. O. 1981. Slekten Clostridium (Medisinske aspekter), s.1756-1766. I: M. P. Starr et al. (eds.), Prokaryotene, Volume II. Springer-Verlag, New York.
(12) Gill, D. M. 1982. Bakterielle toksiner: et bord med dødelige mengder. Mikrobiol. Åp 46:86-94.
(13) Gimenez, J. A. Og H. Sugiyama. 1988. Sammenligning av toksiner Av Clostridium butyricum og Clostridium botulinum Type E. Infeksjon og Immunitet 56:926-929.
(14) Harris, L. M., R. P. Desai, N. E. Welker og E. T. Papoutsakis. 2000. Karakterisering av rekombinante stammer Av Clostridium acetobutylicum butyrate kinase inaktivering mutant: behov for nye fenomenologiske modeller for solventogenese og butanolhemming? Bioteknologi. Bioeng. 67:1-11.
(15) McNeil, B. Og B. Kristiansen. 1986. Aceton butanol gjæring. Adv. Appl. Mikrobiol. 31:61-92.
(16) Nuyts S, Van Mellaert L, Theys J, Landuyt W, Lambin P og Anne J. Clostridium sporer for tumorspesifikk levering av legemidler. Anticancer Medisiner. 2002 Februar; 13 (2): 115-25.
(17) Nasib Qureshi, Xin-Liang Li, Stephen Hughes, Badal C. Saha, Og Michael A. Cotta Butanol Produksjon Fra Mais Fiber Xylan Bruke Clostridium acetobutylicum Biotechnol. Prog.; 2006; 22 (3) pp 673-680.
(18) Zhang H, Bruns MA, Logan VÆRE. Biologisk hydrogenproduksjon Av Clostridium acetobutylicum i en umettet strømningsreaktor. Vann Res. 2006 Februar;40 (4): 728-34.
Redigert av Mark Hower, Student Av Rachel Larsen og Kit Pogliano
