Actinobacillus succinogenes

Το βακτήριο Actinobaccilus succinogenes, είναι ένα προαιρετικά αναερόβιο βακτήριο το οποίο χρησιμοποιείται στις μικροβιακές ζυμώσεις για παραγωγή ηλεκτρικού οξέος.

Οικογένεια Pasteurellaceae 
Tο γένος Actinobacillus ανήκει στην οικογένεια Pasteurellaceae Pohl (1981), με την οποία σχετίζονται περισσότερα από 80 taxa, ενώ μέχρι σήμερα φυλογενετικές μελέτες επιβεβαιώνουν ότι την απαρτίζουν 13 γένη. Το σύνολο των γενών της οικογένειας Pasteurellaceae είναι παρασιτικά βακτήρια που διαβιούν στους βλεννογόνους θηλαστικών και πτηνών, ενώ πολλά από αυτά αποτελούν δυνητικά παθογόνους μικροοργανισμούς . Όσον αφορά τους φαινοτυπικούς τους χαρακτήρες, είναι Gram-, προαιρετικά αναερόβια βακτήρια με μορφή κόκκων ή ράβδων συνήθους μεγέθους 0,3 x 0,3-2 μm, τα οποία δε σχηματίζουν ενδοσπόρια και παρουσιάζουν βέλτιστη ανάπτυξη στους 37οC (Olsen et al., 2005). Όπως πλήθος Gram- βακτηρίων, αρκετά είδη, με κυριότερους αντιπροσώπους στα γένη Actinobacillus, Mannheimia και Pasteurella δυνητικά παράγουν τοξίνες τύπου RTX, βακτηριακές κυτοτοξίνες και κυτολυσίνες.

Το είδος Actinobacillus succinogenes 
Το είδος Actinobacillus succinogenes απομονώθηκε από τη μεγάλη κοιλία βοοειδών και περιεγράφηκε για πρώτη φορά από τους Guettler et al. (1999). Όπως αναφέρουν στη μελέτη του στελέχους Actinobacillus succinogenes 130ZT, είναι μη κινητό, χωρίς τη δυνατότητα παραγωγής ενδοσπορίων, πλειομορφικό, συχνότερα απαντώμενο με μορφή κόκκων ή ράβδων (0,8 x 1 μm), Gram-, χημειοοργανότροφο, προαιρετικά αναερόβιο βακτήριο. Οι αποικίες του σε TSB agar είναι κυκλικές, φαιού γκρι χρώματος, με διάμετρο 1-1,5 mm (Εικόνα 1.1). Αποτελεί είδος μεσόφιλο, το οποίο αναπτύσσεται καλύτερα μεταξύ 37 και 39 °C. Αδυνατεί να αναπτυχθεί σε pH χαμηλότερο του 5,5, ενώ βέλτιστο αποτελεί το 6,7.Όσον αφορά το μεταβολισμό του, το είδος A. succinogenes παράγει ηλεκτρικό και οξικό οξύ, και σε μικρότερες ποσότητες μυρμηκικό, οξαλοξικό και πυροσταφυλικό οξύ, καθώς και αιθανόλη. Να τονιστεί επίσης ότι το συγκεκριμένο είδος βακτηρίου στερείται παθογένειας και το γονιδίωμά του δεν κωδικοποιεί για RTX τοξίνες που απαντώνται σε άλλους αντιπροσώπους της οικογένειας Pasteurellaceae. Ακόμη, πρέπει να σημειωθεί ότι το βακτήριο A. succinogenes είναι αυξότροφο στα αμινοξέα κυστεΐνη, γλουταμινικό οξύ και μεθειονίνη. Η ανάπτυξη του έχει εξεταστεί σε πλήθος πηγών άνθρακα και βιομηχανικών αποβλήτων. Η προσθήκη ανθρακικού μαγνησίου (MgCO3) στις ζυμώσεις για την παραγωγή ηλεκτρικού οξέος από το βακτήριο συμβάλει στον ακριβέστερο έλεγχο του διαλυτού CO2 και δεν επηρεάζει αισθητά το pH της ζύμωσης (Liu et al., 2008), ενώ φαίνεται να παίζει ρόλο στη διαμόρφωση των τελικών συγκεντρώσεων των προϊόντων . O ρόλος της αναγωγικής ενέργειας έχει επίσης εξεταστεί με χρήση ανηγμένων πηγών άνθρακα (π.χ. γλυκερόλη) , αέριου υδρογόνο, ηλεκτρικής ενέργειας και κάποιου μεταφορέα ηλεκτρονίων  ή ηλεκτροχημικής μεμβράνης και φαίνεται να συμβάλει στην αύξηση της τελικής παραγωγής του ηλεκτρικού οξέος.

Ο μεταβολισμός του βακτηρίου A.succinogenes: παραγωγή ηλεκτρικού οξέος 
Ο καταβολισμός της γλυκόζης και η παραγωγή ηλεκτρικού οξέος από το βακτήριο A.succinogenes έχουν μελετηθεί εκτενώς σε καλλιέργειες με θρεπτικό υπόστρωμα τη γλυκόζη . Ο καταβολισμός της γλυκόζης ακολουθεί το μονοπάτι EMP (Embden/Meyerhof/Parnas) προσφέροντας, έως την παραγωγή του φωσφοενολ-πυροσταφυλικού οξέος (PEP), 2 mol NADH για κάθε mol γλυκόζης. Το βακτήριο παράγει κάποια ένζυμα του κύκλου των φωσφορικών πεντοζών (PPP), ενώ στερείται των ενζύμων του κύκλου του γλυοξυλικού και του μονοπατιού Entner-Doudoroff. 

Η γλυκόλυση οδηγεί στο σχηματισμό του φωσφοενολ-πυροσταφυλικού οξέος (PEP) το οποίο αποτελεί βασικό ενδιάμεσο του μεταβολισμού και διακλάδωση μεταξύ των μονοπατιών C3 και C4. Από το C4 μονοπάτι παράγεται το ηλεκτρικό οξύ μέσω του αναγωγικού κύκλου του Krebs (Reductive Krebs cycle), με το φουμαρικό οξύ να αποτελεί τον τελικό αποδέκτη ηλεκτρονιών για την παραγωγή του, με κατανάλωση 2 mol NADH και παραγωγή 2/3 mol ΑΤP. O κύκλος του Krebs στο βακτήριο A. succinogenes δεν είναι πλήρης καθώς στερείται των ενζύμων ισοκιτρική αφυδρογονάση και κιτρική συνθάση. Να σημειωθεί εδώ ότι η αυξοτροφία στα αμινοξέα κυστεΐνη, γλουταμινικό οξύ και μεθειονίνη που προαναφέρθηκε εξηγείται από το γεγονός ότι το βακτήριο, λόγω της απουσίας των προαναφερθέντων ενζύμων, δε μπορεί να συνθέσει α-κετογλουταρικό οξύ έχοντας ως υπόστρωμα τη γλυκόζη.

Από την άλλη το μονοπάτι C3 είναι εκείνο από το οποίο τελείται η παραγωγή των παραπροϊόντων, μυρμηκικό οξύ, οξικό οξυ και αιθανόλη. Τα δυο μονοπάτια επικοινωνούν μέσω δυο αντιδράσεων στις οποίες συμμετέχουν τα ένζυμα αποκαρβοξυλάση του οξαλοξικού και αποκαρβοξυλάση του μηλικού οξέος. Από το C3 παράγεται το ακέτυλο-CoA, που αποτελεί σημαντικό ενδιάμεσο του μεταβολισμού, όπως και 2 mol NADH, και 1 mol ATP. Σημειώνεται ότι ο σχηματισμός τη αιθανόλης γίνεται σε δυο βήματα από 1 mol ακέτυλο-CoA και με κατανάλωση 2 mol NADH. Ακόμη, η αποκαρβοξυλίωση του μηλικού οξέος προσφέρει 1 mol NADPH. Τα παραπάνω καταδεικνύουν την αξία του C3 μονοπατιού στην ανατροφοδότηση του μεταβολισμού με NAD(P)H και ATP. Τέλος, η γλυκονεογένεση στο μεταβολισμό του βακτηρίου A. succinogenes βασίζεται στο μηλικό και φουμαρικό οξύ και επιτελείται μέσω του ενζύμου φωσφοενολ-πυροσταφυλική καρβοξυκινάση (PEPCK), αφού το βακτήριο στερείται του ενζύμου συνθάση του φωσφοενολ-πυροσταφυλικού οξέος. Το γονιδίωμά του έχει περιγραφεί από τους McKinlay et al. (2010) και είναι διαθέσιμο στο NCBI. Πρέπει να αναφερθεί εδώ ότι για κάθε mol ηλεκτρικού οξέος απαιτoύνται 0,5 mol γλυκόζης και 1 mol CO2, αλλά και 2 mol NADH που οξειδώνονται στο μονοπάτι C4. Έτσι, ο μέγιστος θεωρητικός συντελεστής απόδοσης παραγωγής ηλεκτρικού οξέος από τη γλυκόζη είναι 1,12 g/g και δίνεται από την αντίδραση CH2O + 1/7 CO2→ 8/7 CH3/2O + 1/3 ATP.

Παραπομπές