ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА ЭЛЕКТРОГЕННОЙ БАКТЕРИИ SHEWANELLA ONEIDENSIS И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЁ ПРИМЕНЕНИЯ В МИКРОБИОЭЛЕКТРОНИКЕ - Студенческий научный форум

XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА ЭЛЕКТРОГЕННОЙ БАКТЕРИИ SHEWANELLA ONEIDENSIS И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЁ ПРИМЕНЕНИЯ В МИКРОБИОЭЛЕКТРОНИКЕ

Султанов Л.В. 1, Вершенко М.М. 1, Салова А.Ю. 1, Брылева С.В. 1
1ФГБОУ ВО ВолгГМУ Министерства Здравоохранения РФ
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1. Описаниевида

1.1 Систематика

Объектомданнойработыявляетсяорганизм, относящийсякследующимтаксономическимгруппам:
Домен: Бактерии (Bacteria)
Тип: Протеобактерии (Pseudomonadota)
Класс: Гаммапротеобактерии (Gammaproteobacteria)
Порядок: Альтеромонады (Alteromonadales)
Семейство: Шеванелловые (Shewanellaceae)
Род: Шеванелла (Shewanella)
Биноминальноеназвание: Shewanella oneidensis

На сегодняшний день род Shewanella включает более 40 различных видов рода Shewanella, обнаруженных и выделенных из донных отложений рек и озер Северной Америки, из поверхностных и глубинных вод различных морей, из термальных океанских источников, из Арктических и Антарктических вод, из отложений в нефтяных трубопроводах, из испорченной рыбы и морепродуктов [7].

1.2 Исторический экскурс

В 1931 году Shewanella была впервые выделена из испорченных молочных продуктов и идентифицирована как некоторая бактерия, растущая на гнилистом масле. Это была бактерия Achromobacter putrefaciens. Она относится к группе γ-протеобактерий, порядок Alteromonadales, семейство Shewanellacea, однако, более детальное таксономическое положение неоднократно пересматривалось. Переклассификация была связана со строением полярных жгутиков, процентным соотношением пуринов и пиримидинов в геноме, ферментативным набором и другими признаками. Результаты секвенирования 5S рРНК, а также сравнение 16S рРНК различных видов семейств Vibrionacea и Enterobacteriacea в 1985 году окончательно утвердило выделение нового рода Shewanella, который назвали в честь английского микробиолога Джеймса Шевана.

Бактерия Shewanella oneidensis MR-1 была впервые обнаружена в 1988 году в донных отложениях озера Онейда, в честь которого и получила видовое название. Это произошло в ходе исследования, направленного на выявление причины аномально высокого содержания катионов восстановленного марганца (Mn2+) в воде этого озера. В природе марганец обычно существует в окисленной форме (Mn4+), и поэтому ученые предположили, что какой-то биологический процесс восстанавливает марганец. В результате опытов они обнаружили представителя рода Shewanella, который в процессе дыхания переносил электроны на Mn4+, тем самым восстанавливая его. Также была отмечена способность бактерий в процессе дыхания переносить электроны в металл, находящийся за пределами клеток, иначе нельзя было объяснить использование в качестве акцептора электронов окисленную форму марганца, нерастворимую в воде. После секвенирования рРНК бактерии были охарактеризованы как Shewanella, и вид был назван Shewanella oneidensis MR-1 («марганцевый редуктор») [7].

1.3. Особенности строения

Род Shewanella состоит из грамотрицательных оксидазо- и каталазо-положительных, способных восстанавливать TMAO протеобактерий. Они обычно имеют палочковидную форму, 21-3 мкм в длину и 0,4-0,7 мкм в диаметре. Для передвижения используют 1 полярный жгутик.
Первым представителем рода Shewanella, геном которого был секвенирован в 2002 году, стала S. oneidensis MR-1, и, таким образом, она стала модельным объектом для изучения всего рода. Впоследствии были секвенированы геномы еще 29 видов рода Shewanella. Геном S. oneidensis MR-1, согласно данным из GenBank, содержит 1 кольцевую хромосому и мегаплазмиду размером 4.9 м.п.н. и 161 т.п.н., соответственно. В хромосоме и плазмиде S. oneidensis MR-1 было обнаружено значительное количество мобильных элементов IS, а также три новых типа мобильных элемента (короткие инвертированные повторы). Это может обуславливать высокую пластичность генома и способность данного микроорганизма к приспособлению в сильно изменяющихся условиях его обитания. S. oneidensis MR-1 несколько хромосомных и 1 плазмидный ген, кодирующие белки семейства металло-β-лактамаз и совместно обеспечивающие устойчивость к ампициллину.

Сравнительное видовое изучение рода Shewanella выявило некоторые существенные различия между видом S. oneidensis MR-1 и другими представителями этого рода. Так, например, исследование свойств полисахаридной капсулы показало значительно более низкий уровень плотности заряда капсулы у S. oneidensis MR-1 в анаэробных условиях, однако высокий уровень адгезии клеток к гематиту при этом сохранялся. Это явление не характерно для других видов рода Shewanella [7].

1.4. Особенности метаболизма

Большая часть видов рода Shewanella входит в группу металл-редуцирующих диссимилирующих бактерий, оказывающих значительное влияние на геохимические процессы за счет восстановления металлов в процессе анаэробного дыхания. S. oneidensis MR-1 является факультативным анаэробом с достаточно широким спектром акцепторов электронов: нитрат, нитрит, Cr(VI), U(IV), Fe(III), Mn(IV), Co(III), Tc(IV), V(V), фумарат, триметиламин, диметилсульфоксид, сульфит, тиосульфат, элементарная сера и антрахинон-2,6-дисульфонатj[2,j7].

Метаболизм S. oneidensis MR-1 имеет также ряд особенностей. Например, сукцинат, получающийся в ходе восстановления фумарата, секретируется в окружающую среду. Так же бактерия не имеет транспорта глюкозы, что делает невозможным использование глюкозы в качестве источника углерода, но зато она способна использовать в качестве источника углерода
N-ацетилглюкозамин. При этом ферментативная система окисления глюкозы у S. oneidensis MR-1 консервативна.

Как уже было сказано выше, S. oneidensis способна переносить электроны на нерастворимые вещества, находящиеся за пределами клетки. Эта способность обеспечивается за счёт образования биопленок на поверхности восстанавливаемого металла. Биопленки способствуют максимально тесному контакту между бактериями и окисленным металлом. Было отмечено, что бактерии выращивают более прочные биопленки, с большим количеством взаимодействий с поверхностью в среде с бедным содержанием питательных веществ и при отсутствии доступа кислорода. Это происходит потому, что в богатой среде с доступным кислородом запускается процесс аэробного катаболизма, который не требует энергитических затрат на образование биопленки т имеет более высокий выход энергии. А в типично анаэробной среда S. oneidensis образует биопленку, что позволяет ей процветать на питательных веществах, которые большинство других организмов не могут использовать [7].

2. Культивирование в лаборатории

Для выделения и идентификации бактерий Shewanella, используют следующий способ:
1. Бактерии накапливаются в аэробных условиях в жидкой среде, содержащей 1% пептона, 1% хлорида натрия и 0,1% желчных солей.
2. Затем их пересевают на DHL-агар и инкубируют в аэробных условиях.
3. Отбирают колонии неферментирующих, продуцирующих сероводород бактерий.
Для культивирования этих бактерий может использоваться также коммерческая питательная среда следующего содержания:
1) г/л: панкреатический гидролизат рыбной муки 12,0;
2) пептон ферментативный из мяса 12,0;
3) хлорид натрия 6,0;
4) агар 12,0.
Такая среда называется «питательный агар для культивирования микроорганизмов сухой (ГРМ-агар)».
Выращивание посевов необходимо проводить при температуре 37°C (для некоторых видов, например, S.baltica - 28°C) [3, 4].

Чтобы генерировать проводящие структуры, S. oneidensis необходимо культивировать при дефиците доступных конечных акцепторов электронов и избытке доноров. Выращивать S. oneidensis невозможно в богатой среде (а также в минимальной среде с лактатом) в анаэробных условиях, поскольку доступность акцепторов электронов уменьшается. Однако рост может наблюдаться после добавления избыточного акцептора электронов, такого как фумарат или Fe+3, или введения анода в среду.
Наибольшая плотность популяции при культивировании S. oneidensis MR-1 в аэробных и анаэробных условиях достигается на D- и L-лактате [1, 4].

3. Интерес для науки

Свойство электрогенности у бактерий представляет большой интерес для изучения. На различных представителях изучается механизм образования тока и переноса заряда на акцепторы электронов, особенности формирования биоплёнки и другие аспекты. Активно ведутся разработки по практическому использованию этих механизмов в различных сферах человеческой деятельности [5]. В этом ключе Shewanella oneidensis MR-1 представляет особый интерес благодаря широкому спектру акцепторов, которые она может использовать при дыхании, в том числе и нерастворимые твёрдые металлы. Эта бактерия способна передавать электроны на аноды и генерировать электричество без добавления экзогенных медиаторов. Это можно использовать, например, в конструкции микробного топливного элемента (МТЭ) [2].
МТЭ – устройства для получения электрического тока при помощи микроорганизмов - широко используются в исследованиях, посвященных поиску альтернативных источников энергии из возобновляемого органического сырья, а также в сфере охраны окружающей среды. К преимуществам подобных технологий можно отнести их экологическую безопасность, возможность сочетать биотехнические процессы с получением электроэнергии, долговечность устройства. В МТЭ органическое вещество и бактерии находятся в анодной камере в анаэробных условиях. Катод, напротив, находится в аэробных условиях. Анодная и катодная камеры разделены ионоселективной мембраной, которая способна пропускать протоны, и препятствует попаданию кислорода в анодную камеру. Единственный путь электронов к конечному акцептору проходит через анод и электрическую цепь. Используя электропроводные нити, которые называются нанопроволокой, можно объединять популяции бактерий разных видов, увеличивая эффективность передачи электронов как к электроду, так и между различными бактериями. В транспорте электронов могут принимать участие также экзогенные и эндогенные медиаторы.
Основным преимуществом MТЭ можно назвать возможность переработки бактериями широкого круга субстратов, включая промышленные отходы и сточные воды. В этом ключе бактерия Shewanella oneidensis MR-1 представляет особый интерес, так как в перечне её акцепторов присутствует радиоактивный элемент уран. В результате восстановления уран выпадает в осадок и принимает форму удобную для утилизации. Поэтому S. onidensis всерьёз рассматривают как средство биологической борьбы с утечкой ядерных отходов [1, 6, 7].

Другим немаловажным преимуществом МТЭ является очень высокая кулоновская эффективность, при которой свыше 80% электронов, образующихся в процессе окисления субстрата, идут на производство тока. Общим недостатком МТЭ является высокое внутреннее сопротивление и недостаточно эффективное окисление протонов на катоде. Следствием этого является низкая плотность тока. Однако потенциально МТЭ представляет собой биотехническую систему, которая способна производить очистку окружающей среды от различных загрязнений, вырабатывая при этом электроэнергию [6].

S. onidensis MR-1 была использована в качестве объекта для выявления и изучения молекулярных систем, которые участвуют в производстве электроэнергии в МТЭ. Эти исследования продемонстрировали важность внеклеточных путей переноса электронов (EET), которые электрически соединяют пул хинонов в цитоплазматической мембране с внеклеточными акцепторами электронов. Выработка электроэнергии также зависит от внутриклеточных катаболических путей, которые окисляют доноров электронов, таких как лактат, и регуляторных систем, которые контролируют экспрессию генов, кодирующих компоненты катаболических путей и путей переноса электронов. Кроме того, в генерировании электричества участвуют полимеры клеточной поверхности, например, экзополисахариды и секретируемые химические вещества, выступающие в роли электронных шаттлов [2].

Для использования МТЭ на практике необходимо решить проблему низкой плотности тока. На сегодняшний день повышение эффективности MТЭ производится путем совершенствования самих MТЭ: подбор материала и увеличение площади электродов, подбор мембран, конструкция ячеек, снижающих внутреннее сопротивление. Однако основными факторами, определяющими эффективность генерации тока в MТЭ, являются характеристики самих микроорганизмов, такие как: удельная скорость производства электронов и способность клеток к передаче этих электронов на электрод [1, 6].

Литературные источники:

1. Мордкович Н.Н. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ АНАЭРОБНОГО ДЫХАНИЯ ЭЛЕКТРОГЕННОЙ БАКТЕРИИ SHEWANELLA ONEIDENSIS MR-1 И СТРУКТУРЫ УРИДИНФОСФОРИЛАЗЫ ИЗ НЕЕ: дис. канд. биол. наук: 03.01.03. - Москва, 2014. - 182 с.

2. АцусиКодзума, ТакуяКасаи, АцумиХиросэи, КадзуяВатанабэ Catabolic and regulatory systems in Shewanella oneidensis MR-1 involved in electricity generation in microbial fuel cells // Frontiers. – 2015

3. Способ выделения и идентификации бактерий рода shewanella // Findpatent.ru URL: https://findpatent.ru/patent/243/2435845.html (дата обращения: 01.11.2022).

4. К. А. Мотовилов, М. Савинов , Е. С. Жукова, А. А. Пронин, З. В. Гагкаева, В. Гриненко, К. В. Сидорук , Т. А. Воейкова, Ю. Барзилович, А. К. Гребенко, С. В. Лисовский, В. И. Торгашев, Бедняков, J. Pokorny, М. Дрессел, Б. Горшунов Наблюдение за диэлектрической универсальностью в альбумине, цитохроме С и Shewanella oneidensis MR-1 внеклеточный матрикс // Pubmed. – 2017

5. Natalia J. Sacco, M. Celina Bonetto, Eduardo Cortón Isolation and Characterization of a Novel Electrogenic Bacterium, Dietzia sp. RNV-4 // Plos one. – 2017

6. Воейкова Т.А., Емельянова Л.К., Новикова Л.М., Дебабов В.Г. БАКТЕРИАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ – АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ // Труды IX Международной крымской конференции "Космос и биосфера 2011". - М.: 2011

7. Shewanella oneidensis MR-1: Background and Applications // Microbe Wiki URL: https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Shewanella_oneidensis_MR-1:_Background_and_Applications (датаобращения: 01.11.2022).

Просмотров работы: 267