Геобактер - Geobacter

Геобактер
Геобактер сераreducens.TIF
Геобактер серы
Научная классификация
Королевство:
Бактерии
Тип:
Протеобактерии
Учебный класс:
Дельтапротеобактерии
Заказ:
Desulfuromonadales
Семья:
Geobacteraceae
Род:
Геобактер
Разновидность

G. anodireducens[1]
G. argillaceus
Г. bemidjiensis
G. bremensis
G. chapellei
G. daltonii
G. grbiciae
G. Hydrogenophilus
G. lovleyi[1]
G. luticola[1]
G. Metallireducens
G. pelophilus
Г. пикерингий
Г. психрофильный
G. soli[1]
Г. сераreducens
Г. тиоген
G. toluenoxydans
G. uraniireducens[1]

Геобактер это род Протеобактерии. Геобактер виды анаэробное дыхание виды бактерий, обладающие способностями, которые делают их полезными в биоремедиация. Геобактер было обнаружено, что это первый организм, способный окислять органические соединения и металлы, включая железо, радиоактивные металлы и нефтяные соединения, в экологически безвредные углекислый газ при использовании оксид железа или другие доступные металлы в качестве акцепторов электронов.[2] Геобактер также обнаружено, что виды способны дышать графит электрод.[3] Они были обнаружены в анаэробных условиях в почвах и водных отложениях.[4]

История

Geobacter Metallireducens был впервые изолирован Дерек Лавли в 1987 г. в песчаных отложениях из Река Потомак в Вашингтоне, округ Колумбия. Первым штаммом был признан штамм GS-15.[5]

Метаболические механизмы

В течение некоторого времени[когда? ] считалось, что Геобактер вида не хватало c-цитохромы которые могут быть использованы для восстановления ионов металлов, поэтому предполагалось, что они требуют прямого физического контакта, чтобы использовать ионы металлов в качестве терминальные акцепторы электронов (ЧАЙ).[6] Открытие высокопроводящих пилей в Геобактер видов, и предложение использовать их в качестве биологических нанопроволок еще больше укрепило эту точку зрения.[6] Тем не менее недавние открытия показали, что многие Геобактер виды, такие как Geobacter uraniireducens, не только не обладают высокопроводящими пилами, но и не нуждаются в прямом физическом контакте для использования ионов металлов в качестве ТЭА, что позволяет предположить, что существует большое разнообразие внеклеточных механизмов транспорта электронов среди Геобактер разновидность.[7] Например, еще один способ транспортировки электронов - через хинон -опосредованный электронный челнок, который наблюдается в Геобактер серы.[8]

Другой наблюдаемый метаболический феномен - это сотрудничество между Геобактер разновидность, в котором несколько видов сотрудничают в метаболизм смесь химикатов, которые нельзя обрабатывать в одиночку. Обеспечены этиловый спирт и фумарат натрия, G. Metallireducens разрушил этанол, образуя избыток электроны которые были переданы Г. сераreducens через "нанопровода "выросли между ними, давая возможность Г. сераreducens чтобы разрушить ионы фумарата.[9] Нанопроволоки состоят из белков с металлической проводимостью.[10]

Приложения

Биодеградация и биоремедиация

Геобактер 'способность поглощать загрязнители на нефтяной основе и радиоактивные материалы с углекислый газ как побочный продукт отходов использовался при очистке окружающей среды на подземных нефть разливов и осадков уран из грунтовых вод.[11][12] Геобактер ухудшить качество материала, создавая электропроводящие пили между собой и загрязняющим материалом, используя его в качестве источника электронов.[13]

Микробное биоразложение непокорных органических загрязняющие вещества имеет большое значение для окружающей среды и включает новые интригующие биохимические реакции. Особенно, углеводороды и галогенированный давно сомневались в том, что они анаэробно разлагаются, но выделение до сих пор неизвестных анаэробных углеводородов, разлагающих и восстанавливающих дегалогенирование бактерии задокументировал эти процессы в природе. Были обнаружены новые биохимические реакции, активирующие соответствующие метаболические пути, но прогресс в молекулярном понимании этих бактерий замедлился из-за отсутствия генетических систем для большинства из них. Однако позже для таких бактерий стало доступно несколько полных последовательностей генома. Геном веществ, разлагающих углеводороды и восстанавливающих железо G. Metallireducens (инвентарный номер NC_007517) был определен в 2008 г. Геном выявил наличие генов редуктивных дегалогеназы, что предполагает широкий спектр дегалогенирования. Более того, последовательности генома позволили понять эволюцию восстановительного дегалогенирования и различные стратегии адаптации ниши.[14]

Геобактер виды часто являются преобладающими организмами, когда внеклеточные перенос электронов это важный биоремедиация процесс в подземных средах. Следовательно, подход системной биологии к пониманию и оптимизации биоремедиации с Геобактер видов был инициирован с конечной целью развития in silico модели, которые могут предсказать рост и метаболизм Геобактер виды в разнообразных подземных условиях. В геномы из нескольких Геобактер виды были упорядочены. Подробные функциональные геномные / физиологические исследования одного вида, Г. сераreducens был проведен. Геном на базе моделей нескольких Геобактер существуют виды, способные предсказывать физиологические реакции в различных условиях окружающей среды. Количественный анализ уровней транскриптов генов во время на месте уран биоремедиация показала, что можно отследить на месте скорости метаболизма и на месте метаболическое состояние Геобактер в недрах.[15]

Проводимость биопленки

Много Геобактер виды, такие как G. sulfureducens, способны создавать толстые сети биопленок на анодах микробных топливных элементов для внеклеточного переноса электронов.[16] Цитохромы внутри биопленки связываются с пилами, образуя внеклеточные структуры, называемые нанопроволочками, которые способствуют внеклеточному переносу электронов по биопленке.[17] Эти цитохромы принимают электроны от микроорганизмов, а также от других восстановленных цитохромов, присутствующих в биопленке.[17]

Электрические токи возникают, когда перенос этих электронов на аноды сочетается с окислением внутриклеточных органических отходов.[17] Предыдущие исследования показали, что высокая проводимость Геобактер биопленки могут использоваться для питания микробных топливных элементов и для выработки электроэнергии из органических отходов.[18][19] Особенно, G. sulfureducens удерживает один из самых высоких рекордов плотности тока микробных топливных элементов, которые исследователи когда-либо могли измерить in vitro.[19] Эта способность может быть объяснена проводимостью биопленок, поскольку было обнаружено, что высокопроводящие биопленки положительно коррелируют с высокой плотностью тока в микробных топливных элементах.[18]

В настоящее время развитие микробных топливных элементов для целей выработки электроэнергии частично ограничивается их неэффективностью по сравнению с другими источниками энергии и недостаточным пониманием внеклеточного переноса электронов.[20] Таким образом, многие исследователи в настоящее время изучают, как мы можем использовать проводимость биопленки в наших интересах для получения еще более высоких плотностей тока. Было обнаружено, что среда с низким pH изменяет окислительно-восстановительные потенциалы, тем самым подавляя перенос электронов от микроорганизмов к цитохромам.[17] Кроме того, было обнаружено, что биопленки становятся менее проводящими при понижении температуры, хотя повторное повышение температуры может восстановить проводимость биопленок без каких-либо побочных эффектов.[21] Наличие пилей или жгутиков на Геобактер Было обнаружено, что виды увеличивают генерацию электрического тока, обеспечивая более эффективный перенос электронов.[22] Эти различные факторы можно настроить для получения максимального количества электроэнергии и оптимизации биоремедиации в будущем.[20]

Нейроморфный мемристор

Смотрите также: Бактериальные нанопроволоки § Другие важные приложения

В исследовании Amhearst Массачусетского университета в нейроморфном транзисторе памяти (мемристоре) использовалась биопленка Geobacter, разрезанная на тонкие нити нанопроволоки.[23] Нити нанопроволоки проводят низкое напряжение, подобное нейронам человеческого мозга. В статье, написанной в соавторстве с Дереком Лавли, Джун Яо заметил, что его команда может «модулировать проводимость или пластичность синапса нанопроволока-мемристор, чтобы он мог имитировать биологические компоненты для мозговых вычислений…».[24] Прорыв произошел, когда они контролировали активность напряжения на уровне ниже 1 В.

Популярная культура

Геобактер стала иконой для преподавания микробиологической электрогенез и микробные топливные элементы и появился в учебных наборах, доступных для студентов и любителей.[25] У рода даже есть своя плюшевая игрушка.[26] Геобактер также используется для выработки электроэнергии через электродную сеть в Амазонке, Перу.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е «Род: Geobacter». lpsn.dsmz.de.
  2. ^ Чайлдерс, Сьюзен (2002). «Geobacter Metallireducens получает доступ к нерастворимому оксиду Fe (III) путем хемотаксиса». Природа. 416 (6882): 767–769. Bibcode:2002Натура 416..767С. Дои:10.1038 / 416767a. PMID  11961561.
  3. ^ Бонд, Дэниел (март 2003 г.). «Производство электроэнергии с помощью Geobacter Sulfurreducens, прикрепленного к электродам». Прикладная и экологическая микробиология. 69 (3): 1548–1555. Дои:10.1128 / AEM.69.3.1548-1555.2003. ЧВК  150094. PMID  12620842.
  4. ^ Ловли Д.Р., Штольц Дж.Ф., Норд Г.Л., Филипс Э.Дж. (1987). «Анаэробное производство магнетита диссимиляционным железоредуцирующим микроорганизмом» (PDF). Природа. 350 (6145): 252–254. Bibcode:1987Натура. 330..252л. Дои:10.1038 / 330252a0.
  5. ^ Ловли Д. Р., Штольц Дж. Ф., Норд Г. Л., Филлипс, EJP (1987). «Анаэробное производство магнетита диссимиляционным железоредуцирующим микроорганизмом» (PDF). Природа. 350 (6145): 252–254. Bibcode:1987Натура. 330..252л. Дои:10.1038 / 330252a0.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  6. ^ а б Регера, Джемма; Маккарти, Кевин Д.; Мехта, Тина; Nicoll, Julie S .; Туоминен, Марк Т .; Ловли, Дерек Р. (23.06.2005). «Внеклеточный перенос электронов через микробные нанопроволоки». Природа. 435 (7045): 1098–1101. Bibcode:2005Натура.435.1098R. Дои:10.1038 / природа03661. ISSN  1476-4687. PMID  15973408.
  7. ^ Тан, Ян; Адхикари, Рамеш Й .; Мальванкар, Нихил С .; Ward, Joy E .; Невин, Келли П .; Woodard, Trevor L .; Смит, Джессика А .; Snoeyenbos-West, Oona L .; Фрэнкс, Эшли Э. (28.06.2016). "Низкая проводимость Geobacter uraniireducens Пили предполагает разнообразие внеклеточных механизмов переноса электронов у этого рода Геобактер". Границы микробиологии. 7: 980. Дои:10.3389 / fmicb.2016.00980. ISSN  1664-302X. ЧВК  4923279. PMID  27446021.
  8. ^ Pat-Espadas, Aurora M .; Разо-Флорес, Элиас; Рангель-Мендес, Дж. Рене; Сервантес, Франсиско Дж. (2014). "Прямое и опосредованное хиноном восстановление палладия с помощью Геобактер серы: Механизмы и моделирование ». Экологические науки и технологии. 48 (5): 2910–2919. Bibcode:2014EnST ... 48.2910P. Дои:10.1021 / es403968e. PMID  24494981.
  9. ^ Уильямс, Кэролайн (2011). «Кого вы простыми называете?». Новый ученый. 211 (2821): 38–41. Дои:10.1016 / S0262-4079 (11) 61709-0.
  10. ^ Мальванкар, Нихил; Варгас, Мэдлин; Невин, Келли; Трембле, Пьер-Люк; Эванс-Латтеродт, Кеннет; Никыпанчук, Дмитрий; Марц, Эрик; Туоминен, Марк Т; Ловли, Дерек Р. (2015). «Структурная основа металлической проводимости в микробных нанопроводах». мБио. 6 (2): e00084. Дои:10.1128 / мбио.00084-15. ЧВК  4453548. PMID  25736881.
  11. ^ Андерсон Р.Т., Врионис Х.А., Ортис-Бернад I, Реш К.Т., Лонг PE, Дэйволт Р., Карп К., Маруцки С., Метцлер Д.Р., Пикок А., Белый округ Колумбия, Лоу М., Ловли Д.Р. (2003). «Стимулирование активности видов Geobacter in situ для удаления урана из подземных вод водоносного горизонта, загрязненного ураном». Прикладная и экологическая микробиология. 69 (10): 5884–91. Дои:10.1128 / aem.69.10.5884-5891.2003. ЧВК  201226. PMID  14532040.
  12. ^ Cologgi, Dena (2014). «Усиленная иммобилизация и восстановление урана биопленками Geobacter surreducens». Прикладная и экологическая микробиология. 80 (21): 6638–6646. Дои:10.1128 / AEM.02289-14. ЧВК  4249037. PMID  25128347.
  13. ^ «Эксперимент и теория наконец объединились в дебатах о микробных нанопроводах». Phys.org. Получено 5 января 2016.
  14. ^ Хейдер Дж, Рабус Р. (2008). «Геномные идеи в анаэробной биодеградации органических загрязнителей». Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-17-2.
  15. ^ Диас Э., изд. (2008). Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология (1-е изд.). Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-17-2.
  16. ^ Йейтс, Мэтью Д .; Стрихарц-Главен, Сара М .; Голден, Джоэл П .; Рой, Джаред; Цой, Станислав; Эриксон, Джеффри С .; Эль-Наггар, Мохамед Й .; Бартон, Скотт Калабрезе; Тендер, Леонард М. (8 ноября 2016 г.). «Измерение электропроводности живых биопленок Geobacter surreducens». Природа Нанотехнологии. 11 (11): 910–913. Bibcode:2016НатНа..11..910л. Дои:10.1038 / nnano.2016.186. ISSN  1748-3395. PMID  27821847.
  17. ^ а б c d Bond, Daniel R .; Стрихарц-Главен, Сара М .; Tender, Леонард М .; Торрес, Сезар И. (21 мая 2012 г.). «О переносе электронов через биопленки Geobacter». ChemSusChem. 5 (6): 1099–1105. Дои:10.1002 / cssc.201100748. PMID  22615023.
  18. ^ а б Мальванкар, Нихил С .; Туоминен, Марк Т .; Ловли, Дерек Р. (25 января 2012 г.). «Электропроводность биопленки является решающим параметром для микробных топливных элементов Geobacter surreducens с высокой плотностью тока». Энергетика и экология. 5 (2): 5790. Дои:10.1039 / C2EE03388G. ISSN  1754-5706.
  19. ^ а б Йи, Хана; Невин, Келли П .; Ким, Бён-Чан; Franks, Ashely E .; Климс, Анна; Tender, Леонард М .; Ловли, Дерек Р. (15 августа 2009 г.). «Выбор варианта Geobacter surreducens с повышенной производительностью для текущего производства в микробных топливных элементах». Биосенсоры и биоэлектроника. 24 (12): 3498–3503. Дои:10.1016 / j.bios.2009.05.004. ISSN  1873-4235. PMID  19487117.
  20. ^ а б Логан, Брюс Э. (30 марта 2009 г.). «Экзоэлектрогенные бактерии, питающие микробные топливные элементы». Обзоры природы Микробиология. 7 (5): 375–381. Дои:10.1038 / nrmicro2113. ISSN  1740-1534. PMID  19330018.
  21. ^ Йейтс, Мэтью Д .; Голден, Джоэл П .; Рой, Джаред; Стрихарц-Главен, Сара М .; Цой, Станислав; Эриксон, Джеффри С .; Эль-Наггар, Мохамед Й .; Бартон, Скотт Калабрезе; Тендер, Леонард М. (02.12.2015). «Термически активированный перенос электронов на большие расстояния в живых биопленках». Физическая химия Химическая физика. 17 (48): 32564–32570. Bibcode:2015PCCP ... 1732564Y. Дои:10.1039 / c5cp05152e. ISSN  1463-9084. PMID  26611733.
  22. ^ Регера, Джемма; Невин, Келли П .; Nicoll, Julie S .; Ковалла, Шон Ф .; Woodard, Trevor L .; Ловли, Дерек Р. (1 ноября 2006 г.). «Производство биопленки и нанопроволоки приводит к увеличению тока в топливных элементах Geobacter surreducens». Прикладная и экологическая микробиология. 72 (11): 7345–7348. Дои:10.1128 / AEM.01444-06. ISSN  0099-2240. ЧВК  1636155. PMID  16936064.
  23. ^ «Исследователи открывают электронику, которая имитирует человеческий мозг при эффективном обучении». Phys.org. 20 апреля 2020 г.. Получено 20 апреля, 2020.
  24. ^ Фу, Тианда (20 апреля 2020 г.). «Биоинспирированные мемристоры бионапряжения». Nature Communications. 11. Дои:10.1038 / с41467-020-15759-у - через Nature Communications.
  25. ^ "MudWatt: вырасти живой топливный элемент". Волшебные микробы.
  26. ^ Гигантские микробы. "Гео Плюшевая игрушка". Гигантские микробы.

внешняя ссылка