Ralstonia eutropha es un Gram-negativas suelo bacteria de la clase Betaproteobacteria . [1]
Cupriavidus necator | |
---|---|
clasificación cientifica | |
Dominio: | |
Filo: | |
Clase: | |
Pedido: | |
Familia: | |
Género: | |
Especies: | C. necator |
Nombre binomial | |
Cupriavidus necator (Davis 1969) Yabuuchi et al. 1996 | |
Sinónimos | |
Ralstonia eutropha |
Taxonomía
Cupriavidus necator ha pasado por una serie de cambios de nombre. En la primera mitad del siglo XX, se aislaron muchos microorganismos por su capacidad para utilizar hidrógeno. Los organismos quimiolitotróficos metabolizadores de hidrógeno se agruparon en el grupo Hydrogenomonas . [2] C. necator originalmente se llamaba Hydrogenomonas eutrophus porque estaba bajo la clasificación de Hydrogenomonas y estaba "bien nutrido y robusto". [3] Algunas de las culturas originales de H. eutrophus aisladas fueron de Bovell y Wilde. [4] [5] Después de caracterizar la morfología celular , el metabolismo y el contenido de GC , se eliminó la nomenclatura de Hydrogenomonas porque comprendía muchas especies de microorganismos. [2] H. eutrophus pasó a llamarse Alcaligenes eutropha porque era un microorganismo con flagelación peritricosa degenerada . [3] [6] Al investigar el fenotipo , la composición de lípidos , la composición de ácidos grasos y el análisis de ARNr 16S , se descubrió que A. eutropha pertenece al género Ralstonia y se denomina Ralstonia eutropha . [1] Tras un estudio adicional del género, se descubrió que Ralstonia comprende dos grupos fenotípicamente distintos. El nuevo género Wautersia se creó a partir de uno de estos grupos que incluía R. eutropha . A su vez, R. eutropha pasó a llamarse Wautersia eutropha . [7] Al observar la hibridación ADN-ADN y la comparación del fenotipo con Cupriavidus necator , se encontró que W. eutropha era la misma especie que C. necator descrita anteriormente . Debido a que C. necator se nombró en 1987 mucho antes del cambio de nombre a R. eutropha y W. eutropha , se asignó el nombre C. necator a R. eutropha de acuerdo con la Regla 23a del Código Internacional de Nomenclatura de Bacterias . [8]
Metabolismo
Cupriavidus necator es una bacteria oxidante de hidrógeno ( bacteria "knallgas") capaz de crecer en la interfase de ambientes anaeróbicos y aeróbicos. Puede adaptarse fácilmente entre estilos de vida heterótrofos y autótrofos . Tanto los compuestos orgánicos como el hidrógeno se pueden utilizar como fuente de energía [9]. C. necator puede realizar respiración aeróbica o anaeróbica mediante la desnitrificación de nitrato y / o nitrito a gas nitrógeno. [10] Cuando crece en condiciones autótrofas, C. necator fija carbono a través de la vía reductora de pentosas fosfato . [11] Se sabe que produce y secuestra plásticos de polihidroxialcanoato (PHA) cuando se expone a cantidades excesivas de sustrato de azúcar. El PHA puede acumularse a niveles alrededor del 90% del peso seco de la célula. [12] Para caracterizar mejor el estilo de vida de C. necator , se han secuenciado los genomas de dos cepas . [9] [13]
Hidrogenasas
Cupriavidus necator puede utilizar gas hidrógeno como fuente de energía cuando crece en condiciones autótrofas. Contiene cuatro hidrogenasas diferentes que tienen sitios activos [Ni-Fe] y todas realizan esta reacción: [14] [15]
- H 22H + + 2e -
Las hidrogenasas de C. necator son como otras hidrogenasas [Ni-Fe] típicas porque están formadas por una subunidad grande y una pequeña. La subunidad grande es donde reside el sitio activo [Ni-Fe] y la subunidad pequeña está compuesta por grupos de [Fe-S] . [16] Sin embargo, las hidrogenasas de C. necator son diferentes de las hidrogenasas [Ni-Fe] típicas porque son tolerantes al oxígeno y no son inhibidas por el CO . [14] Si bien las cuatro hidrogenasas realizan la misma reacción en la célula, cada hidrogenasa está vinculada a un proceso celular diferente. Las diferencias entre la hidrogenasa reguladora, la hidrogenasa unida a la membrana, la hidrogenasa soluble y la hidrogenasa actinobacteriana en C. necator se describen a continuación.
Hidrogenasa reguladora
La primera hidrogenasa es una hidrogenasa reguladora (RH) que indica a la célula que hay hidrógeno presente. La RH es una proteína que contiene subunidades grandes y pequeñas de hidrogenasa [Ni-Fe] unidas a una subunidad de proteína quinasa de histidina . [17] El gas hidrógeno se oxida en el centro [Ni-Fe] en la subunidad grande y, a su vez, reduce los grupos de [Fe-S] en la subunidad pequeña. Se desconoce si los electrones se transfieren de los grupos [Fe-S] al dominio de la proteína quinasa. [14] La histidina proteína quinasa activa un regulador de respuesta . El regulador de respuesta está activo en forma desfosforilada. El regulador de respuesta desfosforilado promueve la transcripción de la hidrogenasa unida a la membrana y la hidrogenasa soluble. [18]
Hidrogenasa unida a membrana
La hidrogenasa unida a la membrana (MBH) está ligada a la cadena respiratoria a través de una proteína específica relacionada con el citocromo b en C. necator . [19] El hidrógeno gaseoso se oxida en el sitio activo [Ni-Fe] en la subunidad grande y los electrones se transportan a través de los grupos de [Fe-S] en la subunidad pequeña a la proteína similar al citocromo b. [14] El MBH se encuentra en la membrana citoplasmática externa . Recupera energía para la célula canalizando electrones hacia la cadena respiratoria y aumentando el gradiente de protones . [19] El MBH en C. necator no es inhibido por CO y es tolerante al oxígeno. [20]
Hidrogenasa reductora de NAD +
La hidrogenasa reductora de NAD + (hidrogenasa soluble, SH) crea una equivalencia reductora de NADH oxidando hidrógeno gaseoso. El SH es una proteína heterohexameric [21] con dos subunidades que componen las subunidades grandes y pequeñas de la hidrogenasa [Ni-Fe] y las otras dos subunidades que comprenden un módulo de reductasa similar a la de I Complex . [22] El gas hidrógeno oxidado en el sitio activo [Ni-Fe] que transfiere electrones a un cofactor FMN-a , luego a un relé de clúster [Fe-S] de la subunidad de hidrogenasa pequeña y el módulo reductasa, luego a otro FMN-b cofactor y finalmente a NAD + . [14] Las equivalencias reductoras se utilizan luego para fijar dióxido de carbono cuando C. necator está creciendo de forma autótrofa.
El sitio activo del SH de C. necator H16 se ha estudiado extensamente porque C. necator H16 se puede producir en grandes cantidades, se puede manipular genéticamente y se puede analizar con técnicas espectrográficas . Sin embargo, actualmente no se dispone de una estructura cristalina para la hidrogenasa soluble de C. necator H16 en presencia de oxígeno para determinar las interacciones del sitio activo con el resto de la proteína. [14]
Hidrogenasas anaeróbicas [Ni-Fe] típicas
La hidrogenasa [Ni-Fe] de Desulfovibrio vulgaris y D. gigas tienen estructuras proteicas similares entre sí y representan hidrogenasas [Ni-Fe] típicas. [14] [23] [24] [25] La subunidad grande contiene el sitio activo [Ni-Fe] enterrado profundamente en el núcleo de la proteína y la subunidad pequeña contiene grupos de [Fe-S]. El átomo de Ni está coordinado con la hidrogenasa Desulfovibrio por 4 ligandos de cisteína . Dos de estos mismos ligandos de cisteína también unen el Fe del sitio activo [Ni-Fe]. [23] [24] El átomo de Fe también contiene tres ligandos, uno CO y dos CN que completan el sitio activo. [26] Estos ligandos adicionales podrían contribuir a la reactividad o ayudar a estabilizar el átomo de Fe en el estado de oxidación de spin +2 bajo. [23] Las hidrogenasas de [NiFe] típicas como las de D. vulgaris y D. gigas son envenenadas por oxígeno porque un átomo de oxígeno se une fuertemente al sitio activo de NiFe. [20]
C. necator SH tolerante al oxígeno
Los SH en C. necator son únicos para otros organismos porque son tolerantes al oxígeno. [27] Se ha estudiado el sitio activo de la SH para saber por qué esta proteína es tolerante al oxígeno. Un estudio reciente mostró que la tolerancia al oxígeno, tal como se implementó en el SH, se basa en una desintoxicación continua impulsada catalíticamente de O2 [Ref. Faltante]. Los genes que codifican este SH pueden regularse positivamente en condiciones de crecimiento heterótrofo utilizando glicerol en el medio de crecimiento [28] y esto permite la producción aeróbica y la purificación de la misma enzima. [29]
Aplicaciones
Las hidrogenasas de C. necator tolerantes al oxígeno se han estudiado para diversos fines. C. necator se estudió como un organismo atractivo para ayudar a mantener la vida en el espacio. Puede fijar dióxido de carbono como fuente de carbono, usar la urea en la orina como fuente de nitrógeno y usar hidrógeno como fuente de energía para crear cultivos densos que podrían usarse como fuente de proteínas. [30] [31]
La electrólisis del agua es una forma de crear una atmósfera oxigenada en el espacio y C. necator se investigó para reciclar el hidrógeno producido durante este proceso. [32]
Se están utilizando hidrogenasas tolerantes al oxígeno para investigar los biocombustibles. Las hidrogenasas de C. necator se han utilizado para revestir superficies de electrodos para crear células de combustible de hidrógeno tolerantes al oxígeno y al monóxido de carbono [20] y para diseñar complejos ligeros productores de hidrógeno . [33] Además, las hidrogenasas de C. necator se han utilizado para crear sensores de hidrógeno. [34] C. necator genéticamente modificado puede producir isobutanol a partir de CO
2que puede sustituir o mezclar directamente con la gasolina . El organismo emite el isobutanol sin tener que ser destruido para obtenerlo. [35]
Usos industriales
Investigadores de UCLA han modificado genéticamente una cepa de la especie C. necator (anteriormente conocida como R. eutropha H16) para producir isobutanol a partir de materia prima de CO 2 utilizando electricidad producida por una célula solar. El proyecto, financiado por el Departamento de Energía de EE. UU., Es un potencial electrocombustible de alta densidad energética que podría utilizar la infraestructura existente para reemplazar el petróleo como combustible para el transporte. [36]
Referencias
- ^ a b Yabuuchi; et al. (1995). "Transferencia de dos especies de Burkholderia y una Alcaligenes a Ralstonia gen. Nov .: propuesta de Ralstonia pickettii (Ralston, Palleroni y Doudoroff 1973) comb. Nov., Ralstonia solanacearum (Smith 1896) comb. Nov. Y Ralstonia eutropha (Davis 1969) comb. nov " . Microbiol Immunol . 39 (11): 897–904. doi : 10.1111 / j.1348-0421.1995.tb03275.x . PMID 8657018 .
- ^ a b Davis, D .; Doudoroff, M. y Stanier, R. (1969). "Propuesta para rechazar el género Hydrogenomonas : implicaciones taxonómicas" . Int J Syst Bacteriol . 19 (4): 375–390. doi : 10.1099 / 00207713-19-4-375 .
- ^ a b Bowien, B .; Schlegel, H. (1981). "Fisiología y bioquímica de bacterias aerobias oxidantes de hidrógeno". Annu. Rev. Microbiol . 35 : 405–452. doi : 10.1146 / annurev.mi.35.100181.002201 . PMID 6271040 .
- ^ Repaske, R. (1981). "Requisitos nutricionales de Hydrogenomonas eutropha " . J. Bacteriol . 83 (2): 418–422. doi : 10.1128 / JB.83.2.418-422.1962 . PMC 277745 . PMID 14491520 .
- ^ Wilde, E. (1962). "Untersuchungen über Wachstum und Speicherstoffsynthese von Hydrogenomonas eutropha ". Archiv für Mikrobiologie . 43 (2): 109-137. doi : 10.1007 / bf00406429 .
- ^ Davis, D .; Stanier, R. y Doudoroff, M. (1970). "Estudios taxonómicos sobre algunas" bacterias de hidrógeno "flageladas polarmente negativas Gram y especies relacionadas". Arco. Mikrobiol . 70 (1): 1–13. doi : 10.1007 / BF00691056 . PMID 4987616 .
- ^ Vaneechoutte, M .; Kampfer, P .; De Baere, T .; Falsen, E. y Verschraegen, G. (2004). " Wautersia gen. Nov., Un género novedoso que acomoda el linaje filogenético que incluye Ralstonia eutropha y especies relacionadas, y propuesta de Ralstonia [ Pseudomonas ] syzygii (Roberts et al. 1990) comb. Nov" . Revista Internacional de Microbiología Sistemática y Evolutiva . 54 (Parte 2): 317–327. doi : 10.1099 / ijs.0.02754-0 . PMID 15023939 .
- ^ Vandamme, P .; Coenye, T. (2004). "Taxonomía del género Cupriavidus : una historia de objetos perdidos y encontrados" . Revista Internacional de Microbiología Sistemática y Evolutiva . 54 (6): 2285–2289. doi : 10.1099 / ijs.0.63247-0 . PMID 15545472 .
- ^ a b Pohlmann, A .; Fricke, W .; Reinecke, F .; Kusian, B .; Liesegang, H .; Cramm, R .; Eitinger, T .; Ewering, C .; Potter, M .; Schwartz, E .; Strittmatter, A .; Vob, I .; Gottschalk, G .; Steinbuchel, A .; Friedrich, B. y Bowien, B. (2006). "Secuencia del genoma de la bacteria Knallgas productora de bioplásticos Ralstonia eutropha H16" . Biotecnología de la naturaleza . 24 (10): 1257-1262. doi : 10.1038 / nbt1244 . PMID 16964242 .
- ^ Cramm, R. (2009). "Vista genómica del metabolismo energético en Ralstonia eutropha H16" . J Mol Microbiol Biotechnol . 16 (1–2): 38–52. doi : 10.1159 / 000142893 . PMID 18957861 .
- ^ Bowien, B .; Kusian, B. (2002). "Genética y control de la asimilación de CO2 en el quimioautótrofo Ralstonia eutropha ". Arch Microbiol . 178 (2): 85–93. doi : 10.1007 / s00203-002-0441-3 . PMID 12115053 .
- ^ Spiekermann, P .; Rehm, B .; Kalscheuer, R .; Baumeister, D. y Steinbuchel A. (1999). "Un método de tinción sensible, de colonias viables que utiliza rojo de Nilo para la detección directa de bacterias que acumulan ácidos polihidroxialcanoicos y otros compuestos de almacenamiento de lípidos". Arch Microbiol . 171 (2): 73–80. doi : 10.1007 / s002030050681 . PMID 9914303 .
- ^ Lykidis, A .; Pérez-Pantoja, D .; Libro mayor, T .; Marvomatis, K .; Anderson, I .; Ivanova, N .; Hooper, S .; Lapidus, A .; Lucas, A .; González, B. y Kyrpides, N. (2010). Ahmed, Niyaz (ed.). "La secuencia completa del genoma multipartito de Cupriavidus necator JMP134, un degradador de contaminantes versátil" . PLOS ONE . 5 (3): 1–13. doi : 10.1371 / journal.pone.0009729 . PMC 2842291 . PMID 20339589 .
- ^ a b c d e f g Burgdorf, T .; Buhrke, T .; van der Linden, E .; Jones, A .; Albracht, S. y Friedrich, B. (2005). "[NiFe] -hidrogenasas de Ralstonia eutropha H16: enzimas modulares para oxidación biológica de hidrógeno tolerante al oxígeno". J Mol Microbiol Biotechnol . 10 (2-4): 181-196. doi : 10.1159 / 000091564 . PMID 16645314 .
- ^ Schäfer, Caspar; Friedrich, Bärbel; Lenz, Oliver (1 de septiembre de 2013). "Novela, grupo 5 [NiFe] -hidrogenasa insensible al oxígeno en Ralstonia eutropha" . Microbiología aplicada y ambiental . 79 (17): 5137–5145. doi : 10.1128 / AEM.01576-13 . PMC 3753944 . PMID 23793632 .
- ^ Schwartz, E .; Friedrich, B. (2006). "Los procariotas metabolizadores de H2". Procariotas . 2 : 496–563. doi : 10.1007 / 0-387-30742-7_17 . ISBN 978-0-387-25492-0.
- ^ Lenz, O .; Friedrich, B. (1998). "Un nuevo sistema regulador multicomponente media la detección de H2 en Alcaligenes eutrophus " . PNAS . 95 (21): 12474–12479. doi : 10.1073 / pnas.95.21.12474 . PMC 22855 . PMID 9770510 .
- ^ Friedrich, B .; Buhrke, T. y Burgdorf, T. (2005). "Un complejo multiproteico sensible al hidrógeno controla el metabolismo del hidrógeno aeróbico en Ralstonia eutropha ". Transacciones de la sociedad bioquímica . 33 (Pt 1): 97–101. doi : 10.1042 / BST0330097 . PMID 15667276 .
- ^ a b Bernhard, M .; Benelli, B .; Hochkoeppler, A .; Zannoni, D. y Friedrich, B. (1997). "Papel funcional y estructural de la subunidad del citocromo b del complejo hidrogenasa unida a membrana de Alcaligenes eutrophus H16" . EUR. J. Biochem . 248 (1): 179–186. doi : 10.1111 / j.1432-1033.1997.00179.x . PMID 9310376 .
- ^ a b c Vincent, K .; Cracknell, J .; Lenz, O .; Zebger, I .; Friedrich, B. y Armstrong, F. (2005). "Oxidación electrocatalítica de hidrógeno por una enzima a niveles elevados de monóxido de carbono u oxígeno" . PNAS . 102 (47): 16951–16954. doi : 10.1073 / pnas.0504499102 . PMC 1287975 . PMID 16260746 .
- ^ Schneider, K .; Schlegel, H. (1976). "Purificación y propiedades de la hidrogenasa soluble de Alcaligenes eutrophus H 16". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Enzimología . 452 (1): 66–80. doi : 10.1016 / 0005-2744 (76) 90058-9 . PMID 186126 .
- ^ Tran-Betcke, A .; Warnecke, U .; Bocker, C .; Zaborosch, C. y Friedrich, B. (1990). "Clonación y secuencias de nucleótidos de los genes de las subunidades de la hidrogenasa reductora de NAD de Alcaligenes eutrophus H16" . Revista de bacteriología . 172 (6): 2920–2929. doi : 10.1128 / jb.172.6.2920-2929.1990 . PMC 209089 . PMID 2188945 .
- ^ a b c Higuchi,.; Yagi, T. y Yasuoka, N. (1997). "Estructura de ligando inusual en el centro activo de Ni-Fe y un sitio de Mg adicional en hidrogenasa revelada por análisis de estructura de rayos X de alta resolución" . Estructura . 5 (12): 1671-1680. doi : 10.1016 / S0969-2126 (97) 00313-4 . PMID 9438867 .
- ^ a b Volbeda, A .; Garcin, E .; Piras, C .; de Lacey, A .; Fernández, V .; Hatchikian, C .; Frey, M. y Fontecilla-Camps, J. (1996). "Estructura del sitio activo de hidrogenasa [NiFe]: evidencia de ligandos de Fe biológicamente poco comunes". Mermelada. Chem. Soc . 118 (51): 12989–12996. doi : 10.1021 / ja962270g .
- ^ Volbeda, A .; Charon, M .; Piras, C .; Hatchikian, C .; Frey, M. y Fontecilla-Camps, J. (1995). "Estructura cristalina de la hidrogenasa de níquel-hierro de Desulfovibrio gigas ". Naturaleza . 373 (6515): 580–587. doi : 10.1038 / 373580a0 . PMID 7854413 .
- ^ Happe, R .; Roseboom, W .; Pierik, A. y Albracht, S. (1997). "Activación biológica del hidrógeno" . Naturaleza . 385 (6612): 126. doi : 10.1038 / 385126a0 . PMID 8990114 .
- ^ Schneider, K .; Cammack, R .; Schlegel, G. y Hall, D. (1979). "Los centros de hierro-azufre de hidrogenasa soluble de Alcaligenes eutrophus ". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Estructura de la proteína . 578 (2): 445–461. doi : 10.1016 / 0005-2795 (79) 90175-2 . PMID 226163 .
- ^ Jugder, Bat-Erdene; Chen, Zhiliang; Ping, Darren Tan Tek; Lebhar, Helene; Welch, Jeffrey; Marqués, Christopher P. (25 de marzo de 2015). "Un análisis de los cambios en la hidrogenasa soluble y la expresión génica global en Cupriavidus necator (Ralstonia eutropha) H16 cultivado en cultivo heterotrófico por lotes diaúxicos" . Fábricas de células microbianas . 14 (1): 42. doi : 10.1186 / s12934-015-0226-4 . ISSN 1475-2859 . PMC 4377017 . PMID 25880663 .
- ^ Jugder, Bat-Erdene; Lebhar, Helene; Aguey-Zinsou, Kondo-Francois; Marqués, Christopher P. (2016). "Producción y purificación de una hidrogenasa soluble de Ralstonia eutropha H16 para posibles aplicaciones de pila de combustible de hidrógeno" . MethodsX . 3 : 242-250. doi : 10.1016 / j.mex.2016.03.005 . ISSN 2215-0161 . PMC 4816682 . PMID 27077052 .
- ^ Repaske, R .; Mayer, R. (1976). "Cultivos densos autótrofos de Alcaligenes eutrophus " . Microbiología aplicada y ambiental . 32 (4): 592–597. doi : 10.1128 / AEM.32.4.592-597.1976 . PMC 170312 . PMID 10840 .
- ^ Ammann, E .; Reed, L. (1967). "Metabolismo de compuestos nitrogenados por hidrogenomonas eutropha". Biochim. Biophys. Acta . 141 (1): 135-143. doi : 10.1016 / 0304-4165 (67) 90252-8 . PMID 4963807 .
- ^ Foster, J .; Litchfield, J. (1964). "Un aparato de cultivo continuo para la utilización microbiana de hidrógeno producido por electrólisis de agua en sistemas espaciales de ciclo cerrado". Biotecnología y Bioingeniería . 6 (4): 441–456. doi : 10.1002 / bit.260060406 .
- ^ Ihara, M .; Mishihara, H .; Yoon, K .; Lenz, O .; Friedrich, B .; Nakamoto, H .; Kojima, K .; Honoma, D .; Kamachi, T. y Okura, I. (2006). "Producción de hidrógeno impulsada por la luz por un complejo híbrido de una [NiFe] -hidrogenasa y el fotosistema de cianobacterias I". Fotoquímica y Fotobiología . 82 (3): 676–682. doi : 10.1562 / 2006-01-16-RA-778 . PMID 16542111 .
- ^ Lutz, B .; Fan, H .; Burgdorf, T. y Friedrich, B. (2005). "Detección de hidrógeno por detección electroquímica catalizada por enzimas". Anal. Chem . 77 (15): 4969–4975. doi : 10.1021 / ac050313i . PMID 16053311 .
- ^ "Enseñar a un microbio a producir combustible - MIT News Office" . Web.mit.edu . Consultado el 22 de agosto de 2012 .
- ^ Li, H .; Opgenorth, PH; Wernick, DG; Rogers, S .; Wu, T.-Y .; Higashide, W .; Malati, P .; Huo, Y.-X .; Cho, KM; Liao, JC (2012). "Conversión Electromicrobiana Integrada de CO2 a Alcoholes Superiores". Ciencia . 335 (6076): 1596. doi : 10.1126 / science.1217643 . PMID 22461604 .
enlaces externos
- Tipo de cepa de Cupriavidus necator en Bac Dive - la base de metadatos de diversidad bacteriana