Acetobacterium woodii

Το Acetobacterium woodii (Οξοβακτήριο του Γουντ) είναι ένα αναερόβιο, θετικό κατά Gram, ραβδόμορφο οξικογόνο βακτήριο που απαντάται συνήθως σε ζεύγη και δεν σχηματίζει σπόρια. Η κινητικότητά του διευκολύνεται από ένα υποτερματικό μαστίγιο, ή σπανίως 2 μαστίγια. Ο μεταβολισμός του εξαρτάται από Na+Heise R. et al. (1989). Sodium dependence of acetate formation by the acetogenic bacterium Acetobacterium woodii. Journal of Bacteriology 171(10), 5473-5478. και παράγει αποκλειστικά οξικό (CH3COO-) ως παραπροϊόν της ζύμωσης, η οποία γι’ αυτό το λόγο χαρακτηρίζεται ως ομο-οξικογόνος (σε αντίθεση με την ετερο-οξικογόνο ζύμωση, από την οποία παράγονται και άλλα παραπροϊόντα εκτός του οξικού).Balch W.E. et al. (1977). Acetobacterium, a new genus of hydrogen-oxidizing, carbon dioxide-reducing, anaerobic bacteria. International Journal of Systematic Bacteriology 27(4), 355-361. Είναι μεσόφιλο και η βέλτιστη θερμοκρασία αύξησής του είναι στους 30οC. Δεν είναι παθογόνο για τον άνθρωπο ή τα ζώα. Τα ενδιαιτήματα που προτιμά είναι συνήθως υδατικά (λάσπη, λίμνες) και ιζηματικά.

 Γονιδίωμα 
 Επιστημονική ομάδα 
Το βασικό εργαστήριο που μελέτησε το Γονιδίωμα του A. woodii είναι το Goettingen Genomics Laboratory του Πανεπιστημίου Georg-August-University Goettingen στο Γκέτινγκεν, Κάτω Σαξωνία, της Γερμανίας. Η πηγή DNA είναι διαθέσιμη στο Institut fuer Molekulare Biowissenschaften στην Φραγκφούρτη.Poehlein A., Schmidt S., Kaster A.K., Goenrich M., Vollmers J. et al. (2012). An ancient pathway combining carbon dioxide fixation with the generation and utilization of a sodium ion gradient for ATP synthesis. PLoS ONE 7(3): e33439.

 Μέθοδοι αλληλούχισης 
Το Γονιδίωμα του A. woodii είναι ολοκληρωμένο κατά 100%, άρα αποτελείται από 1 ενιαίο contig. Ακολουθήθηκε η μέθοδος whole-genome sequencing με τη χρήση συστήματος pyrosequencing 454 FLX (Roche 454). Το σύνολο του DNA του A. woodii απομονώθηκε με τη χρήση MasterPureTM kit πλήρους καθαρισμού του DNA (Epicentre). Το απομονωμένο DNA χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία βιβλιοθηκών 454-shotgun ακολουθώντας το γενικό πρωτόκολλο βιβλιοθήκης GS-FLX (Roche 454). Μια μέση λωρίδα πλάκας picotiter τιτανίου χρησιμοποιήθηκε για την αλληλούχιση της βιβλιοθήκης, με αποτέλεσμα 232.121 διαβάσματα shotgun, τα οποία συναρμολογήθηκαν de novo με το λογισμικό Roche Newbler 2.3. Η αλληλούχιση ολοκληρώθηκε το Φεβρουάριο του 2012 και έχει αναβαθμιστεί πολλές φορές έκτοτε.

 Αποτελέσματα αλληλούχισης 
Το μέγεθος του γονιδιώματος του Acetobacterium woodi είναι 4.044.785 bp και έχει ήδη καλυφθεί ολόκληρο 3.444 φορές. Το γονιδίωμα είναι οργανωμένο σε ένα κυκλικό χρωμόσωμα, ενώ δεν έχουν βρεθεί πλασμίδια για το συγκεκριμένο είδος. Το περιεχόμενό του σε G+C (mol%) είναι 39,34%, ενώ το ποσοστό κωδικοποιούντων περιοχών ανέρχεται στο 85,1%. Έχουν βρεθεί 3.473 ανοιχτά αναγνωστικά πλαίσια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες, από τα οποία τα 2.469 έχουν γνωστή λειτουργία, ενώ τα υπόλοιπα 1.004 άγνωστη. Το μέσο πρωτεϊνικό μήκος είναι 330,5 αμινοξέα. Τα γονίδια που κωδικοποιούν RNA είναι 75. Ο αριθμός των tRNA που κωδικοποιούνται είναι 59. Τα γονίδια rRNA βρίσκονται σε 5 συστάδες (clusters) στο γονιδίωμα.

 Μεταβολισμός  
Η ενδοκυτταρική σύνθεση του οξικού από CO2 και H2 συνδυάζεται με την παραγωγή ATP μέσω μιας ενεργοποιημένης κυτταρικής μεμβράνης. Το Acetobacterium woodii χρησιμοποιεί μια αρχαία έκδοση αυτού του μονοπατιού (μονοπάτι Wood-Ljungdahl), χωρίς κυτοχρώματα και κινόνες και είναι ένας από τους πολύ λίγους οργανισμούς που βασίζονται αποκλειστικά στο δυναμικό ιόντων Na+ για ενεργειακές αντιδράσεις. Τα ενεργειακά εμπόδια που πρέπει να ξεπεραστούν σε αυτό το μονοπάτι οδηγούνται από διαλυτά ένζυμα. Τα γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες του μονοπατιού Wood-Ljungdahl βρίσκονται κυρίως σε τρεις συστάδες στο χρωμόσωμα. Το A. woodii παράγει ένα δυναμικό ιόντων Na+ εκατέρωθεν της κυτταρικής μεμβράνης από την νατριο-κινητήρια φερρεδοξίνη:NAD οξειδοαναγωγάση (Rnf). Η μεταφορά των ηλεκτρονίων από την ανηγμένη φερρεδοξίνη στο NAD+ μέσω του συμπλόκου Rnf (που αποτελείται από τις υπομονάδες RnfA, RnfB, RnfC1, RnfD, RnfE και RnfG) συζευγνύεται με την εξαγωγή του Na+ από την κυτταρική μεμβράνη. Το ηλεκτροχημικό δυναμικό που δημιουργείται αξιοποιείται από μια δεσμευμένη στη μεμβράνη Na+F1FOATP συνθάση για την σύνθεση του ATP.

 Εφαρμογές για τον άνθρωπο 
Η ιδιαιτερότητα του μεταβολισμού αυτού του οργανισμού έχει πιθανές βιομηχανικές εφαρμογές. Περίπου 2 εκατομμύρια τόνοι οξικού οξέος (CH3COOH) παράγονται κάθε χρόνο από αερόβια βακτήρια. Το A. woodii έχει την ικανότητα να παράγει οξικό σε αναερόβιες συνθήκες. Η αύξηση στην απόδοση είναι 50% σε σύγκριση με τα αερόβια βακτήρια. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μέσω της υπερ-έκφρασης συγκεκριμένων ενζύμων στο μονοπάτι του ακετυλο-CoA. Χρησιμοποιώντας μόνο αέριο H2 και CO2, to A. woodii θα μπορούσε να αποτελέσει μια πιο οικονομική εναλλακτική λύση για τις τρέχουσες βιοτεχνολογικές μεθόδους.Straub M. et al. (2014). Selective enhancement of autotrophic acetate production with genetically modified Acetobacterium woodii. Journal of Biotechnology 178, 67–72.

Ένα μικροβιακό κύτταρο καυσίμου (MFC) ή βιολογικό κύτταρο καυσίμου είναι ένα βιο-ηλεκτροχημικό σύστημα που οδηγεί ένα ρεύμα με τη χρήση βακτηρίων και με τη μίμηση των αλληλεπιδράσεων των βακτηρίων που βρίσκονται στη φύση. Έρευνες στην εφαρμογή των MFCs ως ανανεώσιμης πηγής ενέργειας συνίστανται από διάφορα συστήματα για την οικοδόμηση μιας αυτοδύναμης μπαταρίας. Μερικά συστήματα απαιτούν μικροοργανισμούς που παράγουν οξικό. Ως ομο-οξικογόνο βακτήριο, το A. woodii θα ήταν ένας ιδανικός υποψήφιος για αυτά τα συστήματα.

Είναι δυνατόν το είδος A. woodii να είναι παρόν σε θαλάμους του στομαχιού κάποιων μηρυκαστικών. Τα οξικογόνα αυτά βακτήρια ανταγωνίζονται και υπερτερούν των μεθανογόνων στη χρήση του H2, που είναι απαραίτητο ενδιάμεσο για το σχηματισμό τόσο του οξικού όσο και του μεθανίου. Έτσι, έχει προταθεί ότι οξικογόνα βακτήρια όπως το A. woodii θα μπορούσαν να αποτελέσουν, μέσω θεραπευτικών στρατηγικών διατροφής στα μηρυκαστικά, μία αποτελεσματική λύση για τη μείωση του μεθανίου που αυτά απελευθερώνουν.Joblin K. (1999). Ruminal acetogens and their potential to lower ruminant methane emissions. Australian Journal of Agricultural Research 50(8), 1307-1314.

 Παραπομπές 

Κατηγορία:Θετικά κατά Gram βακτήρια