Methylobacillus flagellatus

Methylobacillus glycogenes
Vetenskaplig klassificering
Domän:	Bakterie
Provins:	Pseudomonadota
Klass:	Betaproteobakterier
Beställa:	Nitrosomonadales
Familj:	Methylophilaceae
Släkte:	Methylobacillus
Arter:	M. flagellatus
Binomialnamn
	Methylobacillus flagellatus ;

Methylobacillus flagellatus är en art av aeroba bakterier.

Beskrivning och betydelse

Methylobacillus är en grupp metylotrofa aeroba bakterier, och de kan hittas i stort antal i marina och sötvattensekosystem. Dessa organismer är en av jordens viktigaste kolåtervinnare, och de återvinner så viktiga kolföreningar som metan , metanol och metylerade aminer på jorden. "I allmänhet kan metylotrofer använda växthusgaser som koldioxid och metan som substrat för att tillgodose deras energi- och kolbehov." Dessutom tyder starka vetenskapliga bevis på att en undergrupp av metylotrofer, metanotrofer , spelar enorma roller i global uppvärmning och förorening av grundvatten. Enligt Bonnie et al., är metangas mycket effektivare för att absorbera infraröd strålning än koldioxidgas, och "koncentrationen av metan har ökat med en alarmerande hastighet på 1% per år under de senaste 150 åren till 200 åren." Den roll som dessa metylotrofer spelar i kolets kretslopp kan hjälpa oss att förstå och så småningom bekämpa den globala uppvärmningen . Därför är det absolut nödvändigt för forskare att klassificera och studera metylotrofa bakterier.

En sådan viktig metylotrof av intresse är Methylobacillus flagellatus KT-stam. Methylobacillus flagellatus isolerades först i början av 1980-talet i avloppsledningar i ett storstadsavlopp . "M. flagellatus är närmast besläktad med andra medlemmar av familjen Methylophilaceae." Formen på M. flagellatus är en oval form, med flera flageller som kommer från motsatta poler av bakterierna. Genom att använda små subenheter 16S rRNA och jämföra metaboliska/fylogena likheter och skillnader< mellan M. flagellatus och dess släktingar, har forskare fastställt att Methylobacillus flagellatus (betaproteobacteria) är närmare besläktad med Methylobacterium extorquens (alphaproteobacteria) och Methylobacillus flagellatus (betaproteobacteria) är närmare besläktad med Methylobacterium extorquens (alphaproteobacteria) och Methylobacillus flagellatus (capsulaproteobacteria) till Metylibium petroleiphilum (betaproteobakterier).

Genomets struktur

Genomet av Methylobacillus flagellatus är en cirkulär kromosom som är cirka 3 Mbp lång, och den kodar för cirka 2 766 proteiner. Enligt Chistoserdova et al. kodar inte M. flagellatus genom för tre enzymer i trikarboxylsyracykeln (TCA-cykeln). M. flagellatus misslyckande att producera dessa tre enzymer (dehydrogenaser) innebär att den endast kan förlita sig på enkolföreningar som kolsubstrat för produktion av prekursormolekyler och för dess energibehov. Möjligheten att använda endast enkolssubstrat gör automatiskt M. flagellatus till en obligatorisk metylotrof.

Övergripande egenskaper hos M. flagellatus -genomet inkluderar 53,7 % GC-innehåll och 143 032 baspar som är direkta upprepningar. Dessutom finns det ungefär 2 766 kodningsregioner, och endast 233 öppna läsramar (ORF) är unika för M. flagellatus. Genomet innehåller också en CRISPR- region, som är funktionellt kopplad till lateral genöverföring, värdcellsförsvar, replikation och reglering.

Ekologi

Ett nyligen genomfört försök till fylogenisk klassificering av obligata metylotrofer placerar släktet Methylobacillus tillsammans med Methylophilus och Methylovorus som terrestra metylobakterier, medan marina obligata metylotrofer hänförs till släktet Methylophaga. Methylobacillus flagellatus KT-stam hittades i ett storstadsavloppssystem, medan Methylobacillus pratensis isolerades från ängsgräs. Det viktiga är att metylotroferna är mycket anpassningsbara och de kan hittas i olika ekosystem.

Som nämnts tidigare kommer vikten av att studera M. flagellatus och andra närbesläktade arter av metylobakterier hjälpa oss att bättre förstå återvinningen av kol på jorden. Mer specifikt skulle en bättre förståelse av hur dessa metylotrofer påverkar kolets kretslopp utan tvekan hjälpa oss att belysa effekterna av metangas på den globala uppvärmningen. "Ungefär 10^3 megaton metan produceras globalt varje år av anaeroba mikroorganismer." En undergrupp av metylotrofer, metanotrofer, oxiderar ungefär 80-90 % av det globala metanet. Betydelsen av detta faktum kan inte förbises, för utan dessa metanotrofer skulle den stora majoriteten av atmosfärisk metan inte brytas ned. Ansamlingen av metangas skulle få jordens temperatur att stiga dramatiskt, eftersom metangas är mycket effektivare för att absorbera infraröd strålning än koldioxidgas, och "kan bidra mer [än koldioxid] till den globala uppvärmningen."

Patologi

Ingen känd patogen kvalitet av M. flagellatus har upptäckts.

Tillämpning på bioteknik

Specifika egenskaper hos M. flagellatus såsom dess höga koefficient för omvandling av oxidationsmedel (metanol) till sin egen biomassa möjliggör praktiska tillämpningar såsom billig industriell produktion av kommersiellt nödvändiga föreningar. Dessa föreningar kan variera från heterologa proteiner och aminosyror till vitaminer. Vissa metylotrofer inom släktet Methylobacillus kan till och med använda organiska föreningar såsom bekämpningsmedlet karbofuran och kolin som kolråmaterial; de använder dessa kolkällor för att uppfylla sina energi- och kolkrav. Redan i slutet av 1980-talet hade forskare vetat att vissa metylotrofer har enzymer som diklormetandehalogenas eller metanmonooxygenas (MMO), som bryter ned olika miljöföroreningar (dvs: alkaner, alkener och mono- och polysubstituerade aromatiska föreningar). En annan vanlig miljöförorening som härrör från industriella processer är formaldehyd . Nyligen har ett företag som heter BIP Ltd odlat en rosa-pigmenterad metylotrof, stam BIP, för det specifika syftet att sanera formaldehyd-kontaminerat industriavfall.

Eftersom det inte finns många publicerade undersökningar om M. flagellatus i synnerhet, finns det därför inte mycket data tillgängligt om denna organism när det gäller tillämpning på bioteknik. Vi kan fortfarande titta på M. flagellatus nära släktingar, metanotroferna, för att hjälpa oss att bättre förstå släktet Methylobacillus. Metanotrofer är en undergrupp av en fysiologisk grupp av metylotrofer, och dess enda assimilatoriska/dismilatoriska kolkälla är metan. Metanotrofer har också MMO, det är känt att detta enzym har en bred substratspecificitet och det kan katalysera oxidationen av en mängd olika vattenföroreningar, såsom trikloretylen , vinylklorid och andra halogenerade kolväten . MMO:s primära roll är att omvandla metan till metanol, och alla metyltrofer som kan syntetisera MMO klassificeras med största sannolikhet som metanotrofer.

Nuvarande forskning

Genomisk analys

M. flagellatus är nära besläktad med medlemmar av familjen Methylophilaceae. De flesta av dess gener är dedikerade till dess metylotrofifunktioner (dvs. att bryta ner enkolföreningar), och dessa gener finns i mer än en identisk eller icke-identisk kopia. M. flagellatus är en obligat metylotrof; detta är den direkta konsekvensen av en ofullständig uppsättning gener som inte kan koda för 3 kritiska enzymer (dehydrogenaser) i TCA-cykeln. Dess genom kodar inte för några sekundära metabolitsyntesvägar såsom antibiotikabiosyntes, och inga kända främlingsfientliga nedbrytningsvägar kodas. Frånvaron av dessa självförsvarsmekanismer kan hjälpa till att förklara varför M. flagellatus inte har några patogena egenskaper.

Befolkningsundersökning/detektionsmetoder

I juni 2006, Kalyuzhaya et al. publicerade en artikel ("Fluorescence In Situ Hybridization-Flow Cytometry-Cell Sorting-Based Method for Separation and Anrichment of Type I and Type II Metanotroph Populations") som beskriver mer exakta metoder för att separera organismer av intresse i ett naturligt prov. Deras experiment fokuserade på att separera Typ I- och Typ II-metanotrofer med hjälp av kombinerade tekniker av FISH/FC (fluorescens in situ hybridisering-flödescytometri) och FACS (fluorescensaktiverad FC-analys och cellsortering). FISH/FC använder oligonukleotid fäst till florescein, eller Alexa för att rikta in sig på 16S rRNA. Den fluorescerade mikroben kan sedan utsättas för analys och cellsortering. Detektionsfasen innebär att det detekterade provet läggs till "funktionell genanalys för att indikera specifik separation med 16S rRNA, pmoA (kodar en subenhet av partikelformigt metanmonooxygenas) och fae (kodar formaldehydaktiverande enzym) gener." Data indikerar att FISH/FC/FACS är en metod som kan "ge betydande berikning av mikrobiella populationer av intresse från komplexa naturliga samhällen." Slutligen, Kalyuzhaya et al. testade tillförlitligheten av helgenomamplifiering (WGA) med ett begränsat antal sorterade celler. De fann att WGA skulle ge mer "specifika" resultat om ett grovt tröskelvärde på 10^4 eller fler celler finns i ett prov. Efter att ha bevisat FISH/FC/FACS effektivitet för att upptäcka mikrobiella populationer, Kalyuzhay et al. använde blandade prover av M. flagellatus tillsammans med andra medlemmar av släktet methylotrophs för att testa deras metods effektivitet.

Ämnesomsättning

I "Analys av två formaldehydoxidationsvägar i Methylobacillus flagellatus KT-stam, en ribulosmonofosfatcykelmetylotrof" Chistoserdova et al. studerade olika vägar för formaldehydoxidation i M. flagellatus KT-stam för att bekräfta betydelsen av dessa vägar relaterade till dissimilatorisk metabolism och, eller formaldehydavgiftning.

Baserat på nollmutantexperiment av 6-fosfoglukonatdehydrogenas (Gnd) (ett nyckelenzym i den cykliska oxidationsvägen) och metenyl H4MPT cyklohydrolas (CH) (som deltar i den direkta oxidationen av formaldehyd via H4MPT-derivat), Chistoserdova et al. har funnit att Gnd-nollmutanter inte erhölls, men CH-nollmutanter erhölls. Det experimentella resultatet tyder på "att denna väg [cyklisk oxidation] är väsentlig för tillväxt på metylotrofa substrat", och att linjär oxidation av formaldehyd via H4MPT-derivat inte krävs för tillväxt. Mer specifikt, "resultat bekräftar tidigare förslag att den cykliska formaldehydoxidationsvägen spelar en avgörande roll i C1-metabolismen av M. flagellatus KT-stammen, troligen som den viktigaste energigenererande vägen."

Metaboliska jämförelser mellan M. flagellatus (beta-proteobacteria) och Methylobacterium extorquens (alfa-proteobacteria) indikerade att dessa arter använder den linjära oxidationsvägen via H4MPT-kopplade derivat på olika sätt. M. flagellatus "mutanter som var defekta i denna (linjära oxidations) väg var känsligare för formaldehyd än vildtyp för celler odlade på fasta medier men inte i skakade flytande kulturer." Resultatet gav ledtrådar om att denna väg kan tjäna till att skydda M. flagellatus från överskott av formaldehyd, medan Methylobacterium extorquens använder denna väg som sin "huvudsakliga energigenererande väg för metylotrofisk tillväxt."

^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Chistoserdova L, Lapidus A, Han C, Goodwin L, Saunders L, Brettin T, Tapia R, Gilna P, Lucas S, Richardson PM, Lidstrom ME. "Genom of Methylobacillus flagellatus, Molecular Basis for Obligated Methylotrophy, and Polyphyletic Origin of Methylotrophy" American Society for Microbiology. 2007. Vol 189, nr 11. sid. 4020-4027.
^ Siddiqui AA, Jalah R, Sharma YD. "Uttryck och rening av HtpX-liknande liten värmechock integrerad membranproteas från en okänd organism relaterad till Methylobacillus flagellatus" Journal of biochemical and biophysical methods. 2007. Vol 70, nr 4. sid. 539-546.
^ ^a ^b ^c ^d Bonnie Jo Bratina, Gregory A. Brusseau, Richard S. Hanson. "Användning av 16S rRNA-analys för att undersöka fylogeni av metylotrofa bakterier" International Journal of Systematic Bacteriology. 1992. Vol 42, nr 4. sid. 645-648.
^ ^a ^b ^c ^d Richard S. Hanson, Thomas E. Hanson. "Metanotrofa bakterier" Mikrobiologiska recensioner. 1996. Vol 60, nr 2. sid. 439-471.
^ Methylobacillus flagellatus KT
^ ^a ^b Doronina, Nina V.; Trotsenko, Yuri A.; Kolganova, Tatjana V., et al. ”Methylobacillus pratensis sp. nov., en ny icke-pigmenterad, aerob, obligat metylotrofisk bakterie isolerad från ängsgräs” International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2004. Vol 54. Nr ej tillgänglig. sid. 1453-1457.
^ ^a ^b ^c ^d Kiyoshi Tsuji, HC Tsien, RS Hanson, SR DePalma, R. Scholtz, S. LaRoche. "16s ribosomal RNA-sekvensanalys för bestämning av fylogenetisk relation mellan metylotrofer" Journal of General Microbiology. 1990. Vol 136. Nr ej tillgänglig. sid. 1-10.
^ Marchenko GN, Marchenko ND, Tsygankov YD, Chistoserdov AY. "Organisation av treoninbiosyntesgener från den obligatoriska metylotrofen Methylobacillus flagellatus" Mikrobiologi. 1999. Vol 145, nr 11. sid. 3273-3282.
^ Chongcharoen R, Smith TJ, Flint KP, Dalton H. "Anpassning och acklimatisering till formaldehyd i metylotrofer som kan avgiftning med hög koncentration av formaldedyd" Mikrobiologi. 2005. Vol 151. Nr ej tillgänglig. s. 2615-2622.
^ ^a ^b Chistoserdova, L.; Lapidus, A.; Han, C.; Goodwin, L.; Saunders, L.; Brettin, T.; Tapia, R.; Gilna, P.; Lucas, S.; Richardson, PM; Lidström, ME (2007). "Genom av Methylobacillus flagellatus , molekylär grund för obligat metylotrofi och polyfyletisk ursprung för metylotrofi" . Journal of Bakteriologi . 189 (11): 4020–4027. doi : 10.1128/JB.00045-07 .
^ ^a ^b Kalyuzhnaya MG, Zabinsky R, Bowerman S, Baker DR, Lidstrom ME, Chistoserdova L. "Fluorescence In Situ Hybridization-Flow Cytometry-Cell Sorting-Based Method for Separation and Anrichment of Type I and Type II Methanotroph Populations" Tillämpad och Miljömikrobiologi. 2006. Vol 72, nr 6. sid. 4293-4301.
^ ^a ^b ^c Chistoserdova L, Gomelsky L, Vorholt JA, Gomelsky M, Tsygankov YD, Lidstrom ME. "Analys av två formaldehydoxidationsvägar i Methylobacillus flagellatus KT, en ribulosmonofosfatcykelmetylotrof" Mikrobiologi. 2000. Vol 146. Nr 1. sid. 233-238.

Vidare läsning

Baev MV, Chistoserdova LV, Polanuer BM, et al. "Effekt av formaldehyd på tillväxt av obligat metylotrof Methylobacillus flagellatum i en icke-begränsad kontinuerlig substratkultur" Archives of Microbiology. 1992. Vol 158, sid. 145-148.
Methylobacillus flagellatus vid NBCI

externa länkar

Typstam av Methylobacillus flagellatus vid Bac Dive - Bacterial Diversity Metadatabase

[two-1] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Chistoserdova L, Lapidus A, Han C, Goodwin L, Saunders L, Brettin T, Tapia R, Gilna P, Lucas S, Richardson PM, Lidstrom ME. "Genom of Methylobacillus flagellatus, Molecular Basis for Obligated Methylotrophy, and Polyphyletic Origin of Methylotrophy" American Society for Microbiology. 2007. Vol 189, nr 11. sid. 4020-4027.

[four-2] Siddiqui AA, Jalah R, Sharma YD. "Uttryck och rening av HtpX-liknande liten värmechock integrerad membranproteas från en okänd organism relaterad till Methylobacillus flagellatus" Journal of biochemical and biophysical methods. 2007. Vol 70, nr 4. sid. 539-546.

[one-3] Bonnie Jo Bratina, Gregory A. Brusseau, Richard S. Hanson. "Användning av 16S rRNA-analys för att undersöka fylogeni av metylotrofa bakterier" International Journal of Systematic Bacteriology. 1992. Vol 42, nr 4. sid. 645-648.

[six-4] Richard S. Hanson, Thomas E. Hanson. "Metanotrofa bakterier" Mikrobiologiska recensioner. 1996. Vol 60, nr 2. sid. 439-471.

[three-5] Methylobacillus flagellatus KT

[thirteen-6] Doronina, Nina V.; Trotsenko, Yuri A.; Kolganova, Tatjana V., et al. ”Methylobacillus pratensis sp. nov., en ny icke-pigmenterad, aerob, obligat metylotrofisk bakterie isolerad från ängsgräs” International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2004. Vol 54. Nr ej tillgänglig. sid. 1453-1457.

[seven-7] Kiyoshi Tsuji, HC Tsien, RS Hanson, SR DePalma, R. Scholtz, S. LaRoche. "16s ribosomal RNA-sekvensanalys för bestämning av fylogenetisk relation mellan metylotrofer" Journal of General Microbiology. 1990. Vol 136. Nr ej tillgänglig. sid. 1-10.

[five-8] Marchenko GN, Marchenko ND, Tsygankov YD, Chistoserdov AY. "Organisation av treoninbiosyntesgener från den obligatoriska metylotrofen Methylobacillus flagellatus" Mikrobiologi. 1999. Vol 145, nr 11. sid. 3273-3282.

[nine-9] Chongcharoen R, Smith TJ, Flint KP, Dalton H. "Anpassning och acklimatisering till formaldehyd i metylotrofer som kan avgiftning med hög koncentration av formaldedyd" Mikrobiologi. 2005. Vol 151. Nr ej tillgänglig. s. 2615-2622.

[Chistoserdova2007-10] Chistoserdova, L.; Lapidus, A.; Han, C.; Goodwin, L.; Saunders, L.; Brettin, T.; Tapia, R.; Gilna, P.; Lucas, S.; Richardson, PM; Lidström, ME (2007). "Genom av Methylobacillus flagellatus , molekylär grund för obligat metylotrofi och polyfyletisk ursprung för metylotrofi" . Journal of Bakteriologi . 189 (11): 4020–4027. doi : 10.1128/JB.00045-07 .

[eleven-11] Kalyuzhnaya MG, Zabinsky R, Bowerman S, Baker DR, Lidstrom ME, Chistoserdova L. "Fluorescence In Situ Hybridization-Flow Cytometry-Cell Sorting-Based Method for Separation and Anrichment of Type I and Type II Methanotroph Populations" Tillämpad och Miljömikrobiologi. 2006. Vol 72, nr 6. sid. 4293-4301.

[ten-12] Chistoserdova L, Gomelsky L, Vorholt JA, Gomelsky M, Tsygankov YD, Lidstrom ME. "Analys av två formaldehydoxidationsvägar i Methylobacillus flagellatus KT, en ribulosmonofosfatcykelmetylotrof" Mikrobiologi. 2000. Vol 146. Nr 1. sid. 233-238.