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 (Genus)
soort
Clostridium acetobutylicum
Clostridium acetobutylicum ATCC 824 wordt als de typestam beschouwd.
NCBI: taxonomie
beschrijving en significantie
Clostridium acetobutylicum is een Gram-positieve bacil (1). C. acetobutylicum is meestal bodem woning, hoewel het is gevonden in een aantal verschillende omgevingen. Het is mesofiel met optimale temperaturen van 10-65°C. Bovendien is het organisme saccharolytisch (kan suiker afbreken) (1) en kan het een aantal verschillende commercieel nuttige producten produceren, met name aceton, ethanol en butanol (2).
C. acetobutylicum vereist anaërobe omstandigheden om in vegetatieve staat te kunnen groeien. In zijn vegetatieve staat, is het beweeglijk via flagella over het gehele oppervlak. Het kan slechts enkele uren overleven in aërobe omstandigheden, waarin het endosporen zal vormen die zelfs in aërobe omstandigheden jaren kunnen duren. Alleen wanneer deze sporen in gunstige anaerobe omstandigheden zijn zal de vegetatieve groei doorgaan (1). Het werd voor het eerst geïsoleerd tussen 1912 en 1914 (2). Chaim Weizmann kweekte de bacteriën om aceton, ethanol en butanol te produceren in een proces dat de ABE-methode wordt genoemd. Daarom is het passend dat C. acetobutylicum vaak het “Weizmann-organisme” wordt genoemd.”De producten werden vervolgens gebruikt bij de productie van TNT en buskruit in de Eerste Wereldoorlog (3). Na de Eerste Wereldoorlog werd het ABE-proces op grote schaal gebruikt tot de jaren 1950, toen petrochemische processen meer kosteneffectief werden vanwege de kosten en beschikbaarheid van petroleumbrandstofbronnen. De recente crisis in fossiele brandstoffen heeft geleid tot meer onderzoek naar C. acetobutylicum en het gebruik van het ABE-proces (2).
naast het feit dat C. acetobutylicum een belangrijke bacterie is voor industrieel gebruik, wordt het bestudeerd als model voor endosporevorming bij bacteriën. Het is vergeleken met de meest bestudeerde endospore bacteriën, Bacillus subtilis (2). Het begrijpen van de wegen van endosporevorming is belangrijk omdat vele endosporevormende bacteriën menselijke ziekteverwekkers zijn, in zowel de geslachten Bacillus als Clostridium.
de meest bestudeerde stam is de type-stam, ATCC 824. Deze soort werd ontdekt en geïsoleerd in grond uit een Connecticut tuin in 1924. Uit onderzoek is gebleken dat de veel bestudeerde ATCC 824 nauw verwant is aan de Weizmann-stam die wordt gebruikt bij de vroege industriële productie van aceton (2).
Genoomstructuur
het genoom van Clostridium acetobutylicum ATCC 824 is gesequenced met behulp van de shotgun-benadering. Dit is de modelstam voor oplosmiddelproducerende bacteriën. Het genoom bestaat uit één circulair chromosoom en een circulair plasmide. Het chromosoom bevat 3.940.880 basisparen. Er is weinig streng bias met ongeveer 51,5% van de genen worden getranscribeerd van voorwaartse streng en 49,5% van de complementaire streng (2).
bekende genen die vaak voorkomen bij bacteriën zijn de 11 operonen die coderen voor ribosomen. Het is interessant dat elk van deze operons in de buurt van de oriC (oorsprong van replicatie) en georiënteerd in de richting van de leidende streng van de replicatie vork. (2). Dit is een kenmerkend algemeen waargenomen bekend als gendosering, waarin hoogst getranscribeerde genen dichtbij de oriC worden geplaatst. Wegens de oriëntatie van deze genen, zullen zij in groter aantal worden getranscribeerd terwijl DNA in het proces van wordt gerepliceerd is en er extra exemplaren van het gen huidig binnen de cel zijn.
bovendien bevat het genoom één groot plasmide (megaplasmide genoemd). Dit plasmide lijkt te bevatten bijna alle genen betrokken bij oplosbare productie en is toepasselijk genoemd pSOL1. pSOL1 bevat 192.000 basenparen en codes voor 178 polypeptiden. Onderzoek van het plasmide geeft geen bias aan in welke streng de codeerstreng is (2).
wanneer Clostridium acetobutylicum in continue kweek wordt gekweekt of veel transfers ondergaat, degenereert de stam langzaam in die zin dat het zijn capaciteit voor de productie van oplosmiddelen verliest. Experimenten om te bepalen wat degeneratie veroorzaakt hebben aangetoond dat pSOL1 vier genen bevat die essentieel zijn voor de productie van alcohol en aceton. In de loop van vele transfers of voortdurende vegetatieve groei gaat dit plasmide verloren. Verder bewijs voor het verlies van dit plasmide leidt tot stamdegeneratie is dat mutanten ontbreekt deze genen en niet in staat om oplosmiddel produceren hervatten aceton en alcohol productie na aanvulling van de genen via plasmiden (4).
andere, minder bestudeerde stammen van C. acetobutylicum zoals ATCC 4259 hebben een vergelijkbare degeneratie aangetoond. Het plasmide in deze stam heet pWEIZ. Nogmaals, degeneratie als gevolg van seriële kweek van deze stam wordt verondersteld om voor te komen als gevolg van uiteindelijke verlies pWEIZ. Deze soort is vermeldenswaard omdat, interessant genoeg, deze gedegenereerde soorten ook niet sporuleren. Dit heeft geleid tot het idee dat genen betrokken bij sporulatie ook bestaan op het plasmide in zowel ATCC 4259 als het type stam, ATCC 824 (4, 2).
energiemetabolisme en Bijproducten
Clostridium acetobutylicum is een chemoorganotroph. Het verkrijgt energie via substraatfosforylatie door fermentatie. Zoals met alle fermentatie, is het substraat organische moleculen die als elektronendonor en acceptor fungeren. Hieruit volgt dat het heterotroop is met zijn bron van koolstof afkomstig van organische moleculen. In het bijzonder vereist C. acetobutylicum een koolhydraatbron die vergisting kan ondergaan om te overleven (1).
bovendien is C. acetobutylicum een verplicht anaerobe. Het kan alleen uren overleven in een aërobe omgeving voordat het sporulatie ondergaat als een middel om veel langere perioden te overleven in de aërobe omgeving. Het vertoont geen activiteit van catalase, een enzym dat belangrijk is voor aërobe organismen om een giftig bijproduct van zuurstofmetabolisme, waterstofperoxide, om te zetten in water en zuurstof (5). Nochtans, bevat het vele enzymen die het toestaan overleven in microoxic milieu ‘ s, zoals superoxide dismutase. Deze enzymen zijn upregulated in aanwezigheid van zuurstof en dragen bij aan de overleving van de cel op korte termijn in microoxic milieu ‘ s (6).
C. acetobutylicum kan een aantal verschillende fermenteerbare koolhydraten gebruiken als energiebron en als koolstofbron. De genoomcodes voor eiwitten die helpen bij de afbraak van xylaan, levan, pectine, zetmeel en andere polysachariden (2). Interessant is dat, terwijl genen die gewoonlijk coderen voor cellusomen, eiwitcomplexen die kristallijne cellulose afbreken, aanwezig zijn, het organisme niet alleen op cellulosesubstraten kan groeien (7).
er is veel onderzoek gedaan naar de metabole routes van Clostridium acetobutylicum om de industriële gisting te verbeteren. De metabolische wegen die industriële nuttige oplosmiddelen produceren zijn het meest opmerkelijk in C. acetobutylicum. De oplosmiddelen aceton, acetaat, butanol, butyraat en ethanol zijn allemaal afgeleid van de gemeenschappelijke precursor, acetyl-CoA (2). Naast deze producten worden CO2 en H2 geproduceerd (1).
een andere opmerkelijke metabole route is dat sommige Clostridia (waaronder C. acetobutylicum) in staat zijn om atmosferische stikstof te” fixeren”. Het proces van stikstoffixatie vermindert atmosferische N2 in ammoniak die dan in molecules via biosynthese wordt opgenomen. Dit werd bepaald gebruikend een geëtiketteerde vorm van stikstof, 15N2. Na het rangschikken, C. acetobutylicum ATCC 824, een reeks genen zeer gelijkend op de stikstof bevestigende genen in C. pasteurianum werden gevonden, verder bevestigend de capaciteit van de bacterie om atmosferische stikstof te gebruiken (8).
celstructuur en-ontwikkeling
tijdens de vroege celontwikkeling kleurt C. acetobutylicum Gram-positief, maar het kan gramnegatief kleuren naarmate de kweek ouder wordt. Tijdens de vegetatieve groei, heeft de cel peritrichous flagella (flagella die het gehele oppervlak van de cel bedekken) (1). Verhoogde motiliteit van de bacteriën is betrokken bij een verhoogde productie van oplosmiddelen als gevolg van chemotaxis. Lokstoffen zijn boterzuur en suiker. Opmerkelijke afweermiddelen omvatten aceton, butanol, en ethanol. Dit mechanisme is logisch in het toestaan van de cel om voedingsstoffen te vinden en weg te bewegen van bijproducten geproduceerd door zijn eigen metabolisme (9).
bovendien worden verschillende bijproducten geproduceerd in verschillende groeifasen van C. acetobutylicum. Tijdens de exponentiële groeifase zijn primaire producten acetaat en butyraat. Gedurende deze tijd vindt ook stikstoffixatie plaats (8). Enige tijd nadat de cel stationaire fase (18 uur), de productie van butanol en aceton piek (1) ingaat. Deze tijdelijke scheiding van stikstoffixatie en productie van oplosmiddel is voordelig om concurrentie voor reductanten door het tweeproces te vermijden (8).
het belangrijkste stadium van celontwikkeling wordt gekenmerkt door de vorming van een endospore. Een endospore is het meest resistente celtype dat bekend is. Op bepaalde milieuaanwijzingen, produceert de vegetatieve cel een subterminal septum( 1), een gebeurtenis die met elektronenmicroscopie kan worden bekeken . Dit septum wordt uiteindelijk een andere cel, genoemd forespore, die door de originele cel wordt overspoeld, genoemd de moedercel. De forespore bestaat uit een laag cortex (voornamelijk peptidoglycaan) en vachteiwitten. Deze twee zeer resistente lagen omringen de kern, dat is een zeer gedehydrateerde cytoplasma. De kern wordt gedefinieerd door absoluut geen metabolisme die binnen de cel voorkomen. De moedercel lyses het vrijgeven van de volwassen spore. Deze volwassen spore is bestand tegen hoge temperatuur, chemicaliën en vele soorten straling waardoor het om te overleven voor buitengewoon aantal jaren. Op andere omgevingsfactoren, zoals een anoxisch milieu, ontkiemt de cel en begint de vegetatieve cyclus opnieuw (10).
sporenvorming begint wanneer de cel wordt blootgesteld aan ongunstige omstandigheden. Aërobe omstandigheden, vorming van organische bijproducten en dissipatie van de Proton gradiënt buiten het cytoplasmatische membraan leiden allemaal tot sporulatie. Dit in tegenstelling tot modelorganisme van endosporevorming, Bacillus subtilis, dat endosporen vormt die voornamelijk te wijten zijn aan de beperking van nutriënten (10).
ecologie
terwijl de typestam van C. acetobutylicum werd geïsoleerd uit de bodem, C. acetobutylicum is alomtegenwoordig. Het is gevonden in “lake sediment, well water, and clam gut” (1). Daarnaast is het Geregistreerd in een aantal verschillende feces specimens, waaronder menselijke, runderen, en honden feces (1). Uit literatuuronderzoek blijkt dat pathogene of symbiotische relaties niet gedocumenteerd zijn.
pathologie
C. acetobutylicum is volledig goedaardig voor zowel planten als dieren, maar veel andere soorten in het geslacht Clostridium zijn bekende pathogenen, waaronder: Clostridium difficile, Clostridium botulinum, Clostridium tetani en Clostridium perfringen. Met name C. botulinum en C. tetani produceren enkele van de meest dodelijke neurotoxinen die bekend zijn (11).
C. acetobutylicum is gevonden in de menselijke dikke darm, maar het is niet bekend dat het deel uitmaakt van de normale menselijke flora (3). Aangezien het organisme door de productie van intracellulaire of extracellulaire stoffen niet giftig lijkt te zijn voor zoogdieren, moet het organisme bovendien in enorme hoeveelheden aanwezig zijn om een bedreiging te kunnen vormen (12).
de enige kwestie van pathologie met C. acetobutylicum is het verwerven van genen van pathogeen Clostridium zoals C. tetani of C. botulinum. Hoewel er geen gevallen zijn gemeld van C. acetobutylicum dat deze genen verwerft, zijn er incidenten in de literatuur geweest waarin andere Clostridium-soorten kinderbotulisme hebben veroorzaakt met toxines die sterk lijken op die in C. botulinum. De gelijkenis van de toxinen suggereert dat de normaal niet-toxigene Clostridium stam toxinecoderende genen van C. botulinum verwierf, die waarschijnlijk aanwezig zijn op een plasmide (13).
toepassing op de biotechnologie
Clostridium acetobutylicum heeft in de hele 20e eeuw een belangrijke rol gespeeld in de biotechnologie. Aanvankelijk was aceton nodig voor de productie van synthetisch rubber. Chaim Weizmann werd ingehuurd om aan het probleem te werken aan de Universiteit van Manchester en fermentatie werd een aantrekkelijke route om de aceton te verwerven die nodig is voor het proces. Tussen 1912 en 1914 isoleerde Weizmann een aantal stammen. De beste productie zou later bekend komen te staan als Clostridium acetobutylicum. De door Weizmann ontwikkelde ABE-methode bood het voordeel van een hogere efficiëntie ten opzichte van andere fermentatieprocessen. Daarnaast kan maïszetmeel als substraat worden gebruikt, terwijl voor andere processen aardappelen moeten worden gebruikt (3).Het uitbreken van de Eerste Wereldoorlog in 1914 resulteerde in een enorme toename van de behoefte aan aceton. Het zou een cruciaal punt blijken in de ontwikkeling van het ABE-proces dat Weizmanns organisme gebruikt. De aceton zou worden gebruikt bij de productie van rookloos buskruit, bekend als cordiet. In de loop van de volgende jaren zou Weizmanns proces worden gebruikt in een aantal grote industriële fabrieken door Groot-Brittannië. Toen Groot-Brittannië tijdens de oorlog werd afgesneden van de toegang tot graan, werd het proces verplaatst naar fabrieken in Canada. Toen de Verenigde Staten in 1917 de oorlog ingingen, opende het ook een aantal fabrieken volgens de Weizmann-methode. Na de oorlog nam de behoefte aan aceton abrupt af. Echter, fabrieken werden nog steeds gebruikt voor de productie van butanol, een nuttig oplosmiddel in de productie van lakken voor de groeiende auto-industrie. Eerder was butanol een afvalproduct van het proces geweest toen de nadruk lag op de productie van aceton. Tijdens de late jaren 1920, de vraag naar butanol bleef escaleren als gevolg van de groeiende auto-industrie en een aantal nieuwe fabrieken geopend met een enorme productiecapaciteit. Twee van zulke planten produceren elke dag 100 ton aceton. Naast butanol werd ook industriële ethanol geproduceerd voor verschillende doeleinden. Het waterstofgas dat bij het proces vrijkwam, werd gebruikt om oliën voor voedsel te hydrogeneren. Rond deze tijd werd melasse het belangrijkste substraat voor ABE-fermentatie. Het was goedkoper en efficiënter dan maïszetmeel. Toen het patent op de Weizmann-stam in 1937 afliep,werden er in het hele land en internationaal meer nieuwe planten geopend (3).Aan het eind van de jaren vijftig en zestig begon de aardolie-industrie echter in een ongelooflijk tempo te stijgen. Bovendien begon de prijs van melasse die bij de fermentatie werd gebruikt, steil te stijgen. Hoewel efficiëntere fermentatiemethoden werden ontwikkeld, konden ze uiteindelijk niet concurreren met de petrochemische productie van de industriële oplosmiddelen en de meeste fabrieken werden gesloten tegen 1957(3). Met de voortdurende stijging van de aardolieprijzen zijn er sindsdien echter studies gedaan om de fermentatie als bron van industriële oplosmiddelen te heroverwegen. Sommige van deze processen hebben geprobeerd de efficiëntie van het proces te verhogen met behulp van genetische manipulatie (14). Anderen hebben onderzocht met behulp van afvalproducten zoals wei of houtkrullen als substraat (15).
het huidige onderzoek
C. acetobutylicum is de focus van het onderzoek geweest als een specifiek mechanisme voor de levering van therapeutische geneesmiddelen aan kankergebieden in het lichaam. C. acetobutylicum is noodzakelijkerwijs anaërobe en daarom intraveneuze injectie van sporen zal resulteren in kieming alleen in hypoxische regio ‘ s van vaste tumoren in het lichaam. De genetische manipulatie van C. acetobutylicum om enzymen te produceren die prodrugs binnen het tumorachtige gebied zullen activeren verstrekt een uiterst specifiek leveringsmechanisme aan deze tumorplaatsen (16).In enkele van de meest recente onderzoeken zijn alternatieve methoden onderzocht om de industriële oplosmiddelen te produceren waarvoor C. acetobutylicum sinds de vorige eeuw wordt gebruikt. Met name butanol heeft bijzondere aandacht gekregen als mogelijke alternatieve brandstof voor auto ‘ s. Butanol en ethanol, beide fermentatieproducten van C. acetobutylicum, zijn intensief bestudeerd. Van de twee heeft butanol voordelen ten opzichte van ethanol als brandstofbron, evenals vele mogelijke voordelen ten opzichte van de huidige brandstofbronnen, in die zin dat het lagere emissies en een verhoogde efficiëntie kan bieden. De belangrijkste factor in de kosten van de butanolproductie is de kosten en beschikbaarheid van het substraat. De Studies zijn daarom gericht op nieuwe methodes om goedkope substraten te gebruiken. In een studie uit 2006 werd butanol fermentatie voorgesteld via een nieuw gepatenteerd proces ter vervanging van het ABE-proces. Het gaat om het gebruik van maïsvezel (specifiek xylem), als substraat voor C. acetobutylicum, om goedkope butanol te produceren. Het grote voordeel van deze techniek is dat maïsvezel een bijproduct is in veel landbouwprocessen en een overvloedige bron van substraat biedt (17).
een andere intensieve studiebron voor C. acetobutylicum is de productie van waterstofgas als alternatieve energiebron. Waterstofgas bevat een grote hoeveelheid energie, die een zeer gunstig alternatief benzine zou kunnen zijn. Met name het gebruik van waterstofgas produceert geen kooldioxide of broeikasgassen. Het meeste waterstofgas wordt momenteel geproduceerd met niet-hernieuwbare bronnen; een alternatief productiemiddel via fermentatie zou zeer waardevol zijn als de opbrengsten enorm zouden kunnen worden verhoogd. Zo wordt een aantal verschillende fermentatiemethoden die kunnen worden gebruikt om de opbrengsten te verbeteren onderzocht in het meest recente onderzoek met C. acetobutylicum. In het bijzonder is een druppelreactor die glucose als substraat gebruikt, voorgesteld als een mogelijkheid, hoewel de opbrengsten te laag zijn om Industrieel te worden gebruikt. Echter, een soort van toepassing van een druppelbed wordt gezien als een mogelijk middel van productie in de toekomst (18).
taxonomie: NCBI
(1) Cato, E. P., W. L. George, and S. M. Finegold. 1986. Genus Clostridium, PP. 1141-1200. In: P. H. A. Sneath et al. (EDS.), Bergey ‘ s Manual of Systematic Bacteriology, Vol. 2. Williams and Wilkins, Baltimore, MD.
(2) Nolling J et al.”Genome sequence and comparative analysis of the solvent-producing bacterie Clostridium acetobutylicum.”, J Bacteriol, 2001 Aug;183 (16):4823-38.
(3) Jones, D. T., and D. R. Woods. 1986. Aceton-butanol fermentatie opnieuw bekeken. Microbiol. Openb. 50: 484-524.(4) Cornillot, E., R. V. Nair, E. T. Papoutsakis, en P. Soucaille. 1997. De genen voor butanol en acetonvorming in Clostridium acetobutylicum ATCC 824 verblijven op een groot plasmide waarvan het verlies tot degeneratie van de stam leidt. 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 en C. Hollergschwandner, Initiation of endospore formation in Clostridium acetobutylicum, Anaerobe 10 (2004), pp.69-74.
(11) Hill, E. O. 1981. Het geslacht Clostridium (medische aspecten), PP.1756-1766. In: M. P. Starr et al. (EDS.), The Prokaryotes, Volume II. Springer-Verlag, New York.
(12) Gill, D. M. 1982. Bacteriële toxines: een tabel met dodelijke hoeveelheden. Microbiol. Openbaring 46: 86-94.
(13) Gimenez, J. A. en H. Sugiyama. 1988. Vergelijking van toxinen van Clostridium butyricum en Clostridium botulinum Type E. infectie en immuniteit:926-929.(14) Harris, L. M., R. P. Desai, N. E. Welker, and E. T. Papoutsakis. 2000. Karakterisering van recombinante stammen van de Clostridium acetobutylicum butyraat kinase inactivatie mutant: behoefte aan nieuwe fenomenologische modellen voor solventogenese en butanol remming? Biotechnol. Bioeng. 67:1-11.
(15) McNeil, B. en B. Kristiansen. 1986. De aceton butanol fermentatie. ADV.Appl. Microbiol. 31:61-92.
(16) Nuyts S, van Mellaert L, Theys J, Landuyt W, Lambin P, and Anne J. Clostridium spores for tumor-specific drug delivery. Medicijnen Tegen Kanker. 2002 Feb;13 (2): 115-25.
(17) Nasib Qureshi, Xin-Liang Li, Stephen Hughes, Badal C. Saha en Michael A. Cotta Butanol productie uit Maïsvezel xylaan met behulp van Clostridium acetobutylicum Biotechnol. Prog.; 2006; 22 (3) pp 673-680.
(18) Zhang H, Bruns MA, Logan BE. Biologische waterstofproductie door Clostridium acetobutylicum in een onverzadigde stroomreactor. Water Res.2006 Feb;40(4):728-34.
uitgegeven door Mark Hower, student van Rachel Larsen en Kit Pogliano
