Thermomyces lanuginosus
| Thermomyces lanuginosus | |
|---|---|
| Vetenskaplig klassificering | |
| Rike: | |
| Division: | |
| Klass: | |
| Beställa: | |
| Släkte: |
Thermomyces
|
| Arter: |
T. lanuginosus
|
| Binomialt namn | |
|
Thermomyces lanuginosus Tsiklinsky (1899)
|
|
| Synonymer | |
|
|
Thermomyces lanuginosus är en art av termofila svampar som tillhör Thermomyces, ett släkte av hemicellulosanedbrytare . Det är klassificerat som en deuteromycete och ingen sexuell form har någonsin observerats. Det är den dominerande svampen i komposthögar, på grund av dess förmåga att motstå höga temperaturer och använda komplexa kolkällor för energi. När temperaturen på komposthögarna stiger och tillgången på enkla kolkällor minskar, kan den konkurrera ut pionjärmikrofloran. Det spelar en viktig roll för att bryta ner hemicellulosorna som finns i växtbiomassa på grund av de många hydrolytiska enzymerna som den producerar, såsom lipolas, amylas , xylanas , fytas och kitinas . Dessa enzymer har kemiska, miljömässiga och industriella tillämpningar på grund av deras hydrolytiska egenskaper. De används bland annat inom livsmedels-, petroleum-, massa- och papper- och djurfoderindustrin. Ett fåtal sällsynta fall av endokardit på grund av T. lanuginosus har rapporterats hos människor.
Historia
Svampen beskrevs första gången 1899 av Tsiklinskaya, efter en tillfällig upptäckt att den växte på en potatis som hade inokulerats med trädgårdsjord. Den isolerades senare 1907 från löv på varma komposthögar av Hugo Miehe. Miehe var den första personen som arbetade med termofila mikroorganismer i sin studie av spontan förbränning av fuktiga höstackar. T. lanuginosis var en av fyra arter av termofila svampar isolerade från självuppvärmande hö av Miehe, tillsammans med Mucor pusillus , Thermoidium sulfureum och Thermoascus aurantiacus.
Svampen isolerades också av en rad olika forskare. Griffon och Maublanc isolerade den från svamp på fuktig havre 1911, men placerade den i släktet Sepedonium, liksom Velich 1914. Kurt Noack isolerade flera termofila svampar från naturliga livsmiljöer, inklusive T. lanuginosis, och studerade deras fysiologi vidare. Cooney och Emerson gav taxonomiska beskrivningar av de 13 kända svamparterna under andra världskriget , samtidigt som de studerade alternativa källor till gummi .
Taxonomi
Denna art har ett antal synonymer, på grund av att olika namn och kategorier användes när den först beskrevs. Tsiklinskaya isolerade och beskrev ursprungligen arten, men misslyckades med att ange storleken på aleuriosporer och inkluderade inte ritningar. Fotografier av mycel och sporer var osäkra eftersom de inte gav en sann bild av storleken eller strukturen på grund av misslyckande med att indikera förstoringen. På grund av denna osäkerhet placerade både Griffon och Maublanc (1911) och Velich (1914) den i släktet Sepedonium när de isolerade och beskrev den. Den har också placerats i Acremoniella av Rege (1927) och Curzi (1929).
År 1933 föreslogs namnet Montospora lanuginosa av Mason , men detta följdes av en trend mot att acceptera släktet Humicola, som föreslogs av Bunce (1961) på grund av Montosporras tveksamma status . Det var Pugh et al. som återinförde släktet Thermomyces. Även om litteraturen ibland hänvisar till denna art med det tidigare namnet Humicola lanuginosa , ses den nu enhetligt till med dess nuvarande namn Thermomyces lanuginosa.
Genom
Svampen har ett antal viktiga industriella tillämpningar eftersom den producerar de största mängderna hydrolyserande enzymer av någon termofil svamp. Detta har lett till ett intresse för att studera dess genetik, och resulterade därefter i sekvensering av dess genom . Proteomet av T. lanuginosis innehåller 5100 gener , med 83 tRNA - gener. En av egenskaperna som har upptäckts genom sekvensering av genomet är att svampen har en ubiquitinnedbrytningsväg , som hjälper den att reagera på olika miljöpåfrestningar, såsom näringsbegränsning, värmechock och exponering för tungmetaller, och kan vara avgörande för anpassning vid stigande temperaturer. Den är också kapabel till histonacetylering /deacetylering och innehåller ett stort antal metylaser , som spelar viktiga roller vid packning och kondensering av DNA .
Tillväxt och morfologi
Thermomyces lanuginosus klassificeras som en termofil och upplever snabb tillväxt vid höga temperaturer. I labbet kan kolonier odlas i ett flytande glukos-saltmedium berikat med pepton . Kolonier är vita och sammetslena till en början, vanligtvis mindre än 1 mm höga, men blir snart grå eller grönaktigt grå, med början från mitten. Mogna kolonier är matt mörkbruna till svarta, ofta med rosa eller vinaktigt spridande pigment som utsöndras från kolonin. Massor av utvecklande aleurioforer kan ses på de fina, färglösa hyferna hos unga kolonier när de ses i mikroskop. Dessa aleurioforer är korta, mäter 10-15μ i längd och uppstår i rät vinkel mot hyferna. De är i allmänhet ogrenade men ibland förgrenar de sig en eller två gånger nära basen och uppträder som en klunga. Septationer kan förekomma men är ofta svåra att observera. Aleuriosporer bärs var för sig i spetsarna av aleurioforerna.
Ingen teleomorf är känd för denna art. De asexuella konidorna bärs ensamma på korta stjälkar och är encelliga, mörkbruna, med en ruggig yta. Sporerna är färglösa och släta till en början, men blir mörkbruna under mognaden, och den tjocka exosporen blir skrynklig. Mogna sporer är sfäriska, oregelbundet formade och varierar från 6-10 μ i diameter. Både omogna och mogna sporer kan lätt separeras från aleurioforen, som vanligtvis brister något under fästpunkten, så fria sporer kan hittas med den övre delen fortfarande fäst.
Termofila mögelsvampar som odlas vid höga temperaturer (över 50 °C) innehåller täta kroppsvesiklar i sina hyfer som fungerar som lagringsorganeller, främst för fosfolipider. Hos T. lanuginosus odlas nio gånger fler lipidlagringsvesiklar vid 52 °C än 37 °C. Kraftig pigmentering av sporer gör att de tål temperatur och värmestress, och pigmenten har visat sig likna hydroxylerade pigment i bladlöss .
Fysiologi
Temperatureffekter
Termofila svampar är de enda eukaryota organismerna som kan växa över 45 °C. I allmänhet är den lägsta temperaturen som krävs för tillväxt minst 20 °C, medan den maximala är 60 °C eller 62 °C. Den optimala tillväxttemperaturen för T. lanuginosus är 45-50 °C. Medan det maximala utbytet av sporer sker vid 25 °C, är deras tillväxt snabbare vid 50 °C. Ingen tillväxt observeras vid temperaturer under 30 °C eller över 60 °C. Enzymkänslighet och aktivitet hos transportörer i svampen påverkas också av temperaturen.
Näring
Termofila svampar kan inte växa under anaeroba förhållanden och kräver syre för att växa. Även om koldioxid inte är ett näringsbehov för svampar, påverkas tillväxten av T. lanuginosis allvarligt av bristen på det. Detta beror mest troligt på att koldioxid krävs för assimilering av pyruvatkarboxylas , som behövs för utveckling.
I komposthögar där svampen är vanligt förekommande, minskar tillgången på lösligt kol när temperaturen ökar, och huvudsakliga kolkällor tenderar att vara polysackarider som cellulosa och hemicellulosa. T. lanuginosis kan inte använda cellulosa eftersom det inte producerar ett cellulas , men det är väl anpassat för att använda andra komplexa kolkällor som hemicellulosa. Det är kapabelt att växa commensalt genom att använda sockerarter som frigörs när cellulosa hydrolyseras av en cellulolytisk partner. De hydrolytiska produkterna av cellulosa och hemicellulosa - glukos , xylos och mannos , transporteras med samma protondrivna symport . Denna transport är konstitutiv, specifik och bärarförmedlad, och dess känslighet är temperaturberoende.
Thermomyces lanuginosis använder samtidigt glukos och sackaros vid 50 °C, varvid sackaros används snabbare än glukos. Båda sockerarterna används också samtidigt vid 30 °C i nästan identiska hastigheter. Användningen av sackaros sker samtidigt som glukos av två huvudskäl: för att invertaset är okänsligt för katabolitrepression av glukos, och för att aktiviteten hos glukosupptagssystemet undertrycks av glukosen självt såväl som av sackaros. De två sockerarterna påverkar ömsesidigt deras användning i blandningen.
Enzymer
Det finns ett antal enzymer som utsöndras av T. lanuginosis, och många av dem har tillämpningar inom olika industrier.
Lipas
Lipaset av T. lanuginosis har ett katalytiskt centrum som innehåller tre aminosyror (serin-histidin-asparaginsyra) och är täckt av en kort alfa-spiralformad loop eller "lock" som rör sig för att tillåta substrattillträde till det aktiva stället. En enda mutation i serinet förändrar lockets rörelse, vilket påverkar enzymbindningsaffiniteten. Lipaset innehåller också disulfidbindningar men ingen fri -SH-grupp. Produktiviteten och värmestabiliteten hos lipaset skiljer sig med olika stammar, men det har visat sig vara stabilt vid ett pH på 4 till 11 och optimalt aktivt vid 8,0. Temperaturmässigt har viss aktivitet observerats vid 65 °C, men den är helt inaktiverad vid 80 °C.
De tunna mycelsuspensionerna som bildas av svampen gör den önskvärd för användning vid framställning av stabilt lipas för tillverkning av tvättmedel för varmvattenmaskintvätt.
Amylas
α-amylas är ett dimeriskt enzym som kan hydrolysera stärkelse , amylos och amylopektin , men inte maltos . α-amylaset från T. lanuginosis är mest aktivt vid svagt sura förhållanden och en temperatur på 65 °C. Vid 100 °C inaktiveras den genom självassociering av subenheter, vilket omvandlar den till en inaktiv trimer art. Enzymet kan motstå annars dödliga temperaturer och sedan återgå till naturligt tillstånd med full enzymatisk aktivitet, vilket gör att svampen kan överleva fluktuerande höga och låga temperaturer.
Xylanas
Xylan är den mest förekommande strukturella polysackariden i naturen förutom cellulosa, och bryts ner genom många enzymer, inklusive xylanas. Xylanaset av T. lanuginosus är en polypeptid med 225 aminosyror och är mycket homolog med andra xylanaser, men det skiljer sig på grund av närvaron av en disulfidbrygga som de flesta mesofila xylanaser inte har, och dess ökade täthet av laddade rester genom hela proteinet . Detta gör stärkelsenedbrytande enzymer av T. lanuginosus till de mest värmestabila enzymerna bland svampkällor. Medan temperaturoptima för de flesta xylanaser sträcker sig från 55 till 65 °C, är xylanaser av vissa stammar av T. lanuginosus optimalt aktiva vid 70 till 80 °C. Xylanaset är till och med stabilt mot denatureringsmedel som urea och har förmågan att återveckas. efter denaturering.
Xylanaser har funnits i livsmedels-, djurfoder- och massa- och pappersindustrin eftersom de kan användas för att bryta ned xylan i industriella enzymatiska reaktioner.
Fytas
Fytaset från T. lanuginosus har optimal aktivitet vid 65 °C och ett pH på 6,0. Differentiell skanningskalorimetri har visat att hög temperatur (69 °C) krävs för att vika ut den.
Fytinsyra är den primära lagringsformen av fosfat i spannmål, baljväxter och oljeväxter. Dessa är huvudkomponenterna i djurfoder, men enmagade djur och människor kan inte smälta fytat helt och drar inte nytta av fosfatet. Extra fosfor måste tillsättas i fodret för att defosforylera fytinsyran eftersom den bildar olösliga komplex med vissa metalljoner, vilket gör dem otillgängliga för näring. Det finns därför ett intresse för att använda fytaser för att bryta ner fytinsyran och undvika detta extra steg.
Kitinas
Fyra förmodade kitinaskodande gener har identifierats i T. lanuginosus. Kitinaser är glykosylhydrolaser som bryter ner β-1,4-bindningarna av kitin. De är aktiva över ett brett pH (3,0–11,0) och temperaturområde (30–60◦C).
Kitinaser är biologiskt användbara eftersom de bryter ner biopolymeren kitin . Kitin utgör ett allvarligt miljöproblem i form av kitinhaltigt avfall, som produceras i upp till 100 miljarder ton årligen. De kan användas vid nedbrytning av kitin i råa räkskal utan förbehandling med starka kemikalier, och har även tillämpningar inom medicin eftersom kitinas har visat sig ha svampdödande egenskaper.
Glukoamylas
Thermomyces lanuginosus producerade också glukoamylas . Det har föreslagit användbarhet vid kommersiell produktion av glukossirap eftersom det är okänsligt för hämning av slutprodukten .
Trehalase
Trehalas är ett monomert glykoprotein med 20 % kolhydratinnehåll. Den är optimalt aktiv vid 50 °C. Det produceras konstitutivt i T. lanuginosus , men är starkt bundet till hyfväggen.
Invertase
Thermomyces lanuginosus har ett mycket instabilt invertas som kan stabiliseras av tioler i labbet och inaktiveras av tiolmodifierande förening, vilket tyder på att det är ett tiolprotein .
Anpassningar för överlevnad
Thermomyces lanuginosus har ett antal anpassningar för överlevnad, inklusive homeoviskös anpassning . Koncentrationen av linolsyra är dubbelt högre vid 30 °C än vid 50 °C, vilket innebär att den kan justera fettsyrasammansättningen i dess membran som svar på temperaturen för att variera fluiditeten och hålla dess enzymer i funktion optimalt. Det kan också få termotolerans - konidier som är värmechockade visar förbättrad överlevnad vid högre temperaturer.
Habitat och ekologi
Termofila svampar är främst kompostsvampar , även om T. lanuginosus också har visat sig frodas i bytespetsar, åldrande gräslöv, avloppsvatten och torv- och myrjordar, och är den dominerande arten av termofila svampar i varma källor. Även om det ibland finns i jord, är detta inte en naturlig livsmiljö för T. lanuginosus , och koncentrationen av sporer av termofila svampar per gram material är ungefär 10 6 högre i kompost än i jordar. Det föreslås att deras breda närvaro i marken beror på spridning av sporer någon annanstans och nedfall från luft.
Thermomyces lanuginosus har två av de viktigaste egenskaperna som krävs för att vara en kompostkolonisator - den kan motstå höga temperaturer och använda komplexa kolkällor för energi. Den producerar termostabila hemicellulaser som bryter ned hemicellulosa från växtbiomassa till enklare sockerarter. När temperaturen i kompostsystemen stiger försvinner pionjärfloran och termofila svampar blir dominerande. Exoterma reaktioner av saprofytisk och mesofil mikroflora höjer temperaturen till 40 °C, vilket får termofila sporer att gro och så småningom växa ur pionjärer, vilket höjer temperaturen ännu högre till 60 °C. Runt slutet av nedbrytningen utgör termofila svampar 50-70 % av kompostbiomassan. T. lanuginosus är en sekundär sockersvamp och kan delta i ömsesidiga relationer med vissa sanna cellulosanedbrytare av kompost.
Användning av Thermomyces lanuginosus Lipase (TLL)
Thermomyces lanuginosus lipas (TLL) har ett antal olika kemiska, miljömässiga och industriella tillämpningar, där hydrolytiska processer är involverade. Dess regiospecificitet gör det möjligt för den oleokemiska industrin att producera produkter som kakaosmörekvivalenter, fettersättning för humanmjölk och andra lipider med specifika strukturer. Den kan användas för hydrolys av oljor och fetter, alkoholys eller transförestring av oljor och fetter, förestring av fettsyror och acidolys och interesterifiering av oljor.
Det första kommersialiserade lipaset som användes i detergenter var Lipolase, ett svamplipas som ursprungligen härrörde från T. lanuginosus. Lipaser hjälper tvättmedlets förmåga genom att ta bort fläckar. Lipolaser har också använts i joniska vätskor - miljömässigt attraktiva alternativ till typiska organiska lösningsmedel.
TLL har många användningsområden i organisk kemi, såsom upplösning av racemiska blandningar och skapandet av superkritiska vätskor . Storskaliga miljötillämpningar inkluderar användning vid nedbrytning av polymerer, behandling av avloppsvatten från köttindustrin, förbehandling av ull och en sensor för fettkvalitet i storskalig bearbetning. Lipaset har visat sig vara användbart vid produktion av läkemedel och läkemedelsintermediärer, såsom antitumörmedel, eftersom det kan hjälpa till att åstadkomma kinetiska upplösningar av syntetiskt viktiga kirala byggstenar. Den har även tillämpningar inom petroleumindustrin eftersom den kan användas för produktion av biodiesel .
Patologi
Endokardit orsakad av svampen har rapporterats hos människor, men är mycket sällsynt. Den första rapporten om T. lanuginosus endokardit gjordes postmortem för över 25 år sedan hos en patient som tidigare genomgått klaffkirurgi för Staphylococcus aureus infektiös endokardit, där den förblev asymptomatisk i mer än 6 månader. Ett annat fall rapporterades hos en annars immunkompetent patient som fick en hjärtklaffsprotes insatt efter bakteriell endokardit. T. lanuginosus endokardit var troligen resultatet av kontaminering under den operationen. I det senare fallet varade sjukdomen i 9 år och behandlades med aggressiv kirurgi och voriconaozle -terapi.
Riskfaktorer för mögelendokardit inkluderar redan existerande lesioner , hjärtklaffsjukdomar , tidigare hjärtkirurgi (såsom klaffkirurgi, kranskärlsbypasstransplantation, införande av pacemaker eller defibrillator och operation av aorta) immunsuppression inklusive graviditet och prematuritet, intravenöst drogmissbruk , och med intravenösa linjer. Symtom vid presentationen kan inkludera feber, frossa, hjärtsvikt, neurologiska symtom inklusive svaghet, förvirring och synnedsättning, andningssymtom, hudskador, bröstsmärtor, bensmärtor, ryggsmärtor och konstitutionella symtom som anorexi , sjukdomskänsla och viktminskning. Svampendokardit är dödlig utan behandling. Det har en hög sjuklighet och mortalitet, såväl som en risk för återfall, så patienter med ovanlig icke- Aspergillus -mögelendokardit kan behöva livslång suppressiv antimykotisk behandling.