Cupriavidus necator
|
|
| Cupriavidus necator | |
|---|---|
| Vetenskaplig klassificering | |
| Domän: | |
| Provins: | |
| Klass: | |
| Beställa: | |
| Familj: | |
| Släkte: | |
| Arter: |
C. necator
|
| Binomialt namn | |
|
Cupriavidus necator (Davis 1969) Yabuuchi et al. 1996
|
|
| Synonymer | |
|
Ralstonia eutropha |
|
Cupriavidus necator är en gramnegativ jordbakterie av klassen Betaproteobacteria .
Taxonomi
Cupriavidus necator har gått igenom en rad namnbyten. Under första hälften av 1900-talet isolerades många mikroorganismer för sin förmåga att använda väte. Vätemetaboliserande kemolitotrofa organismer grupperades i gruppen Hydrogenomonas . C. necator hette ursprungligen Hydrogenomonas eutrophus eftersom den föll under Hydrogenomonas -klassificeringen och var "välnärd och robust". Några av de ursprungliga H. eutrophus -kulturerna som isolerades var av Bovell och Wilde. Efter att ha karakteriserat cellmorfologi , metabolism och GC-innehåll , upplöstes Hydrogenomonas nomenklatur eftersom den omfattade många arter av mikroorganismer. H. eutrophus döptes sedan om till Alcaligenes eutropha eftersom det var en mikroorganism med degenererad peritrich flagellation . Vid undersökning av fenotyp , lipidsammansättning , fettsyrasammansättning och 16S rRNA- analys visade sig A. eutropha tillhöra släktet Ralstonia och fick namnet Ralstonia eutropha . Vid ytterligare studier av släktet Ralstonia omfatta två fenotypiskt distinkta kluster. Det nya släktet Wautersia skapades från ett av dessa kluster som inkluderade R. eutropha . I sin tur döptes R. eutropha om till Wautersia eutropha . När man tittar på DNA-DNA-hybridisering och fenotypjämförelse med Cupriavidus necator , visade sig W. eutropha vara samma art som tidigare beskrivits C. necator . Eftersom C. necator namngavs 1987 långt innan namnbytet till R. eutropha och W. eutropha , tilldelades namnet C. necator till R. eutropha enligt regel 23a i den internationella nomenklaturkoden för bakterier .
Ämnesomsättning
Cupriavidus necator är en väteoxiderande bakterie ("knallgas"-bakterie) som kan växa i gränsytan mellan anaeroba och aeroba miljöer. Det kan lätt anpassa sig mellan heterotrofa och autotrofa livsstilar. Både organiska föreningar och väte kan användas som energikälla C. necator kan utföra aerob eller anaerob andning genom denitrifiering av nitrat och/eller nitrit till kvävgas. Vid odling under autotrofa förhållanden fixerar C. necator kol genom den reduktiva pentosfosfatvägen . Det är känt att producera och binda polyhydroxialkanoat (PHA)-plaster när de utsätts för överskottsmängder av sockersubstrat. PHA kan ackumuleras till nivåer runt 90 % av cellens torrvikt. För att bättre karakterisera livsstilen för C. necator har genomerna från två stammar sekvenserats .
Hydrogenaser
Cupriavidus necator kan använda vätgas som energikälla när den växer under autotrofa förhållanden. Den innehåller fyra olika hydrogenaser som har [Ni-Fe] aktiva ställen och alla utför denna reaktion:
- H 2 2H + + 2e −
Hydrogenaserna av C. necator är som andra typiska [Ni-Fe]-hydrogenaser eftersom de är uppbyggda av en stor och en liten subenhet. Den stora subenheten är där den [Ni-Fe] aktiva platsen finns och den lilla subenheten är sammansatt av [Fe-S]-kluster . Emellertid skiljer sig hydrogenaserna av C. necator från typiska [Ni-Fe]-hydrogenaser eftersom de är toleranta mot syre och inte hämmas av CO . Medan de fyra hydrogenaserna utför samma reaktion i cellen, är varje hydrogenas kopplat till en annan cellulär process. Skillnaderna mellan det regulatoriska hydrogenaset, membranbundet hydrogenas, lösligt hydrogenas och aktinobakteriellt hydrogenas i C. necator beskrivs nedan.
Regulatoriskt hydrogenas
Det första hydrogenaset är ett regulatoriskt hydrogenas (RH) som signalerar till cellen väte är närvarande. RH är ett protein som innehåller stora och små [Ni-Fe]-hydrogenassubenheter fästa till en histidinproteinkinas- subenhet. Vätgasen oxideras vid [Ni-Fe]-centrum i den stora subenheten och minskar i sin tur [Fe-S]-klustren i den lilla subenheten. Det är okänt om elektronerna överförs från [Fe-S]-klustren till proteinkinasdomänen. Histidinproteinkinaset aktiverar en responsregulator . Responsregulatorn är aktiv i defosforylerad form. Den defosforylerade responsregulatorn främjar transkriptionen av membranbundet hydrogenas och lösligt hydrogenas.
Membranbundet hydrogenas
Det membranbundna hydrogenaset (MBH) är kopplat till andningskedjan genom ett specifikt cytokrom b -relaterat protein i C. necator . Vätgas oxideras vid det [Ni-Fe]-aktiva stället i den stora subenheten och elektronerna transporteras genom [Fe-S]-klustren i den lilla subenheten till det cytokrom b-liknande proteinet. MBH är beläget på det yttre cytoplasmiska membranet . Den återvinner energi till cellen genom att leda elektroner in i andningskedjan och genom att öka protongradienten . MBH i C. necator hämmas inte av CO och är tolerant mot syre.
NAD+-reducerande hydrogenas
Det NAD+-reducerande hydrogenaset (lösligt hydrogenas, SH) skapar en NADH -reducerande ekvivalens genom att oxidera vätgas. SH är ett heterohexamert protein med två subenheter som utgör de stora och små subenheterna av [Ni-Fe]-hydrogenaset och de andra två subenheterna som innefattar en reduktasmodul som liknar den i komplex I. Den [Ni-Fe] aktiva platsen oxiderade vätgas som överför elektroner till en FMN-a- kofaktor, sedan till ett [Fe-S]-klusterrelä av den lilla hydrogenassubenheten och reduktasmodulen, sedan till en annan FMN-b-kofaktor och slutligen till NAD + . De reducerande ekvivalenserna används sedan för att fixera koldioxid när C. necator växer autotrofiskt.
Det aktiva stället för SH av C. necator H16 har studerats omfattande eftersom C. necator H16 kan produceras i stora mängder, kan genetiskt manipuleras och kan analyseras med spektrografiska tekniker. Emellertid finns för närvarande ingen kristallstruktur tillgänglig för C. necator H16-lösligt hydrogenas i närvaro av syre för att bestämma interaktionerna mellan det aktiva stället och resten av proteinet.
Typiska anaeroba [Ni-Fe]-hydrogenaser
[Ni-Fe]-hydrogenaset från Desulfovibrio vulgaris och D. gigas har liknande proteinstrukturer som varandra och representerar typiska [Ni-Fe]-hydrogenaser. Den stora subenheten innehåller det aktiva området [Ni-Fe] begravt djupt i kärnan av proteinet och den lilla subenheten innehåller [Fe-S]-kluster. Ni-atomen är koordinerad till Desulfovibrio-hydrogenaset av 4 cysteinligander . Två av dessa samma cysteinligander överbryggar också Fe för det aktiva [Ni-Fe]-stället. Fe-atomen innehåller också tre ligander, en CO och två CN som kompletterar det aktiva stället. Dessa ytterligare ligander kan bidra till reaktiviteten eller hjälpa till att stabilisera Fe-atomen i oxidationstillståndet med låg spin +2. Typiska [NiFe]-hydrogenaser som de av D. vulgaris och D. gigas förgiftas av syre eftersom en syreatom binder starkt till det aktiva NiFe-stället.
C. necator syretolerant SH
SH i C. necator är unik för andra organismer eftersom den är syretolerant. Den aktiva platsen för SH har studerats för att ta reda på varför detta protein är tolerant mot syre. En nyligen genomförd studie visade att syretolerans som implementerad i SH är baserad på en kontinuerlig katalytiskt driven avgiftning av O2 [Ref saknas]. Generna som kodar för denna SH kan uppregleras under heterotrofa tillväxtförhållanden med användning av glycerol i tillväxtmediet och detta möjliggör aerob produktion och rening av samma enzym.
Ansökningar
De syretoleranta hydrogenaserna av C. necator har studerats för olika ändamål. C. necator studerades som en attraktiv organism för att stödja liv i rymden. Den kan fixera koldioxid som en kolkälla, använda urean i urinen som en kvävekälla och använda väte som energikälla för att skapa täta kulturer som skulle kunna användas som en proteinkälla.
Elektrolys av vatten är ett sätt att skapa syrehaltig atmosfär i rymden och C. necator undersöktes för att återvinna det väte som produceras under denna process.
Syretoleranta hydrogenaser används för att undersöka biobränslen. Hydrogenaser från C. necator har använts för att belägga elektrodytor för att skapa vätebränsleceller som är toleranta mot syre och kolmonoxid och för att designa väteproducerande ljuskomplex . Dessutom har hydrogenaserna från C. necator använts för att skapa vätesensorer. Genetiskt modifierad C. necator kan producera isobutanol från CO
2 som direkt kan ersätta eller blandas med bensin . Organismen avger isobutanolen utan att behöva förstöras för att få den.
Industriell användning
Forskare vid UCLA har genetiskt modifierat en stam av arten C. necator (tidigare känd som R. eutropha H16) för att producera isobutanol från CO 2 -råvara med hjälp av elektricitet som produceras av en solcell. Projektet, finansierat av USA:s energidepartement, är ett potentiellt elbränsle med hög energidensitet som skulle kunna använda befintlig infrastruktur för att ersätta olja som transportbränsle.