Cupriavidus necator

Cupriavidus necator  (antes chamada Ralstonia eutropha) é unha bacteria gramnegativa do solo da clase das Betaproteobacteria.

 Taxonomía 
A especie hoxe chamada Cupriavidus necator pasou por unha serie de cambios de nome. Na primeira metade do século XX, illáronse moitos microorganismos pola súa capacidade de usar o hidróxeno. Os organismos quimiolitótrofos que metabolizan o hidróxeno agrupáronse no xénero Hydrogenomonas. C. necator denominouse orixinalmente Hydrogenomonas eutrophus porque estaba dentro do criterio de clasificación para considerala Hydrogenomonas e era "ben nutrida e robusta" (eutrophus). Algúns dos cultivos orixinais illados de H. eutrophus fixéranos Bovell e Wilde. Despois de que se caracterizou a morfoloxía celular, metabolismo e contido GC das especies do xénero, a nomenclatura de Hydrogenomonas desfíxose porque se viu que comprendía moitas especies moi diferentes de microorganismos. H. eutrophus foi entón renomeada Alcaligenes eutropha porque era un microorganismo cunha flaxelación perítrica dexenerada. Ao investigarse o fenotipo, composición de ácidos graxos e composición lipídica en xeral e a análise do ARNr 16S, atopouse que A. eutropha pertencía ao xénero Ralstonia e nomeouse como Ralstonia eutropha. Despois de máis estudos sobre o xénero, viuse que Ralstonia comprendía dous grupos fenotipicamente distintos. Creouse o novo xénero Wautersia para un deses grupos, no cal estaba R. eutropha, a cal foi renomeada como Wautersia eutropha. Porén, ao examinarse a hibridación ADN-ADN e a comparación de fenotipos coa especie xa existente Cupriavidus necator, atopouse que W. eutropha era a mesma especie que a anteriormente descrita C. necator. Como C. necator fora nomeada en 1987, moito antes que os cambios de nome de R. eutropha e W. eutropha, o nome C. necator foille definitivamente asignado a R. eutropha de acordo coa regra 23a do Código Internacional de Nomenclatura das Bacterias.

 Metabolismo 
Cupriavidus necator é unha bacteria oxidante do hidróxeno (unha das chamadas bacterias "Knallgas") capaz de crecer na interface de ambientes anaerobios e aerobios. Pode adaptarse doadamente a estilos de vida heterótrofos e autótrofos. Pode utilizar como fonte de enerxía tanto os compostos orgánicos coma o hidróxeno   C. necator pode realizar a respiración aerobia ou anaerobia por desnitrificación de nitratos ou nitritos a gas nitróxeno. Cando crece en condicións autótrofas, fixa o carbono pola vía da pentosa fosfato redutora. Produce e secuestra plásticos polihidroxialcanoatos (PHA) cando se expón a cantidades excesivas de substratos azucres. O PHA pode acumularse ata niveis dun 90% do peso seco celular. Para caracterizar mellor o estilo de vida de C. necator, secuenciáronse os xenomas de dúas cepas.

 Hidroxenases 
Cupriavidus necator pode utilizar o gas hidróxeno como fonte de enerxía cando crece en condicións autótrofas. Conteñen catro hidroxenases que teñen sitios activos [Ni-Fe] e todas realizan esta reacción:
H2  2H+ + 2e−
As hidroxenases de C. necator son iguais que outras [Ni-Fe]-hidroxenases típicas porque están constituídas por unha subunidade grande e outra pequena. A subunidade grande é onde se encontra o sitio activo [Ni-Fe] e a subunidade pequena está composta de grupos [Fe-S]. Porén, as hidroxenases de C. necator son diferentes das típicas [Ni-Fe]-hidroxenases porque son tolerantes ao oxíxeno e non son inhibidas polo CO. Aínda que as catro hidroxenases realizan a mesma reacción na célula, cada hidroxenase está ligada a diferentes procesos celulares. As diferenzas entre a hidroxenase reguladora, a hidroxenase unida a membrana, a hidroxenase soluble e a hidroxenase actinobacteriana en C. necator descríbense máis abaixo.

 Hidroxenase reguladora 

A primeira hidroxenase é unha hidroxenase reguladora (RH) que sinala á célula que está presente o hidróxeno. A RH é unha proteína que contén subunidades grande e pequena de [Ni-Fe]-hidroxenase unidas a unha subunidade de histidina proteína quinase. O gas hidróxeno oxídase no centro [Ni-Fe] na subunidade grande e á súa vez reduce os grupos [Fe-S] na subunidade pequena. Non se coñece se os electróns se transfiren dos grupos [Fe-S] ao dominio de proteína quinase. A histidina proteína quinase activa un regulador da resposta. O regulador da resposta é activo na forma desfosforilada. O regulador da resposta desfosforilado promove a transcrición da hidroxenase unida a membrana e da hidroxenase soluble.

 Hidroxenase unida a membrana 
A hidroxenase unida a membrana (MBH) está ligada á cadea respiratoria por medio dunha proteína relacionada co citocromo b específica en C. necator. O gas hidróxeno é oxidado no sitio activo [Ni-Fe] da subunidade grande e os electróns son transportados por grupos [Fe-S] da subunidade pequena ata a proteína similar ao citocromo b. A MBH está localizada na membrana externa bacteriana. Recupera enerxía para a célula ao enviar electróns á cadea respiratoria e incrementar o gradiente de protóns. A MBH de C. necator non é inhibida polo CO e é tolerante ao oxíxeno.

 Hidroxenase redutora de NAD+ 
A hidroxense redutora de NAD+ (hidroxenase soluble, SH) crea un equivalente de redución NADH oxidando gas hidróxeno (H2). A SH é unha proteína heterohexámera con dúas subunidades que forman cada unha das subunidades grande e pequena da [Ni-Fe]-hidroxenase e as outras dúas subunidades máis que comprenden un módulo de redutase similar ao do Complexo I. O sitio activo [Ni-Fe] oxida o gas hidróxeno que transfire electróns a un módulo cofactor FMN-a, despois a un grupo [Fe-S] da subunidade pequena da hidroxenase e o módulo  redutase, despois a outro cofactor FMN-b e finalmente ao NAD+. Os equivalentes redutores son despois utilizados para fixar o dióxido de carbono cando C. necator está crecendo autotrofamente.

O sitio activo da SH de C. necator H16 foi amplamente estudado porque C. necator H16 ten as vantaxes de que pode producirse en gran de cantidade, pode ser manipulado xeneticamente e pode ser analizado con técnicas espectrográficas. Porén, non se dispón actualmente de ningunha estrutura cristalina da hidroxenase soluble de C. necator H16 en presenza de oxíxeno para determinar as interaccións do sitio activo co resto da proteína.

 [Ni-Fe]-hidroxenases anaeróbicas típicas 
A [Ni-Fe]-hidroxenase de Desulfovibrio vulgaris e D. gigas teñen estruturas proteicas similares e representan [Ni-Fe]-hidroxenases típicas. A subunidade grande contén o sitio activo [Ni-Fe] enterrado profundamente no interior da proteína e a subunidade pequena contén grupos [Fe-S]. O átomo de Ni está coordinado coa hidroxenase de Desulfovibrio por medio de 4 ligandos cisteína. Dous destes ligandos cisteína iguais tamén forman unha ponte co Fe do sitio activo [Ni-Fe]. O átomo de Fe tamén contén tres ligandos, un CO e dous CN que completan o sitio activo. Estes ligandos adicionais poderían contribuír á reactividade ou axudar a estabilizar o átomo de Fe no estado de oxidación +2 de baixo spin. As [NiFe]-hidroxgenases típicas como as de D. vulgaris e D. gigas son envelenadas polo oxíxeno porque un átomo de oxíxeno se une fortemente ao sitio activo NiFe.

 Hidroxenase soluble tolerante ao oxíeno de C. necator 
A hidroxenase soluble (SH) de C. necator é única respecto ás doutros organismos porque é tolerante ao oxíxeno. O sitio activo da SH foi estudado para descubrir por que esta proteína é tolerante ao oxíxeno. Un estudo recente mostrou que a tolerancia ao oxíxeno que presenta a SH está baseado nunha detoxificación de CO2 impulsada cataliticamente continua. Os xenes que codifican esta SH poden ser regulados á alza baixo condicións de crecemento heterótrofo usando glicerol no medio de crecemento e isto permite a produción aerobia e purificación do mesmo encima.

 Aplicacións 
As hidroxenases tolerantes ao oxíxeno de C. necator foron estudadas con diversos propósitos. C. necator estudouse como un organismo interesante para axudar a soster a vida no espazo. Pode fixar o dióxido de carbono como fonte de carbono, usa a urea dos ouriños como fonte de nitróxeno e usa o hidróxeno como fonte de enerxía para crear densos cultivos que poderían utilizarse como fonte de proteínas.

A electrólise da auga é unha forma de crear oxíxeno atmosférico no espazo e C. necator foi investigado para reciclar o hidróxeno producido durante este proceso.

As hidroxenases tolerantes ao oxíxeno están utilizándose para investigar a produción de combustibles. As hidroxenases de C. necator foron utilizadas para cubrir as superficies de eléctrodos para crear células de combustible tolerantes ao oxíxeno e monóxido de carbono. e para deseñar complexos captadores de luz produtores de hidróxeno. Ademais, as hidroxenases de C. necator foron utilizadas para crear sensores de hidróxeno. 

C. necator modificados xeneticamente poden producir isobutanol a partir de CO2, que pode substituír directamente á gasolina ou mesturarse con ela. O organismo emite o isobutanol sen ter que ser destruído para recollelo. Investigadores da UCLA modificaron xeneticamente unha capa da especie C. necator  (antes chamada cepa R. eutropha H16) para producir isobutanol a partir de CO2 usando electricidade producida por unha célula solar. O proxecto, financiado polo Departamento de Enerxía dos Estados Unidos, é unha fonte potencial de electrocombustible de alta densidade de enerxía que podería usar a infraestrutura existente para substituír o petróleo como combustible para o transporte.

Os enxeñeiros químicos e biomoleculares do Instituto Avanzado de Ciencias e Tecnoloxía de Corea presentaron unha forma escalable de converter o CO2 do aire nun poliéster por medio de C. necator.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Ligazóns externas 
Cepa tipo de Cupriavidus necator en BacDive -  the Bacterial Diversity Metadatabase

Categoría:Burkholderiales