Shewanella oneidensis es una bacteria que se destaca por su capacidad para reducir los iones metálicos y vivir en ambientes con o sin oxígeno . Esta proteobacteria se aisló por primera vez de Lake Oneida , NY en 1988, de ahí su nombre. [1]
Shewanella oneidensis | |
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Shewanella oneidensis |
S. oneidensis es una bacteria facultativa , capaz de sobrevivir y proliferar tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas . El especial interés de S. oneidensis MR-1 gira en torno a su comportamiento en un entorno anaeróbico contaminado por metales pesados como el hierro , el plomo y el uranio . Los experimentos sugieren que puede reducir el mercurio iónico a mercurio elemental [2] y la plata iónica a plata elemental. [3] Sin embargo, la respiración celular de estas bacterias no se limita a los metales pesados; las bacterias también pueden atacar a los sulfatos, nitratos y cromatos cuando se cultivan anaeróbicamente.
Nombre
Esta especie se conoce como S. oneidensis MR-1, lo que indica "reductor de manganeso", una característica especial de este organismo. Es un error común pensar que MR-1 se refiere a "reducción de metales" en lugar de la intención original de "reducción de manganeso" como lo observó Kenneth H. Nealson, quien fue el primero en aislar el organismo.
Cualidades
Reducción de metales
S. oneidensis MR-1 pertenece a una clase de bacterias conocidas como " Bacterias Reductoras de Metales Disimilatorias (DMRB)" debido a su capacidad para acoplar la reducción de metales con su metabolismo. Los medios para reducir los metales son particularmente controvertidos, ya que las investigaciones que utilizan microscopía electrónica de barrido y microscopía electrónica de transmisión revelaron protuberancias estructurales anormales que se asemejan a filamentos bacterianos que se cree que están involucrados en la reducción del metal. Este proceso de producción de un filamento externo está completamente ausente de la respiración bacteriana convencional y es el centro de muchos estudios actuales.
La mecánica de la resistencia de esta bacteria y el uso de iones de metales pesados está profundamente relacionada con su red de vías de metabolismo. Se ha demostrado que los supuestos transportadores de eflujo de múltiples fármacos, proteínas de desintoxicación, factores sigma extracitoplasmáticos y reguladores del dominio PAS tienen una mayor actividad de expresión en presencia de metales pesados. La proteína SO3300 de clase del citocromo c también tiene una transcripción elevada. [4] Por ejemplo, al reducir U (VI), se utilizan citocromos especiales como MtrC y OmcA para formar nanopartículas de UO 2 y asociarlas con biopolímeros. [5]
Modificación química
En 2017, los investigadores utilizaron una molécula sintética llamada DSFO + para modificar las membranas celulares en dos cepas mutantes de Shewanella. DSFO + podría reemplazar completamente las proteínas conductoras de corriente naturales, aumentando la energía que genera el microbio. El proceso fue solo una modificación química que no modificó el genoma del organismo y que se dividió entre la descendencia de la bacteria, diluyendo el efecto. [6]
Formación de película
La película es una variedad de biopelícula que se forma entre el aire y el líquido en el que crecen las bacterias. [7] En una biopelícula, las células bacterianas interactúan entre sí para proteger a su comunidad y cooperan metabólicamente (comunidades microbianas). [8] En S. oneidensis , la formación de películas es típica y está relacionada con el proceso de reducción de metales pesados. La formación de la película está ampliamente investigada en esta especie. La película generalmente se forma en tres pasos: las células se adhieren a la superficie triple del dispositivo de cultivo, aire y líquido, luego desarrollan una biopelícula de una capa a partir de las células iniciales y, posteriormente, maduran hasta una estructura tridimensional complicada. [9] En una película desarrollada, una serie de sustancias entre las células (sustancias poliméricas extracelulares) ayudan a mantener la matriz de la película. El proceso de formación de la película implica importantes actividades microbianas y sustancias relacionadas. Para las sustancias poliméricas extracelulares, se requieren muchas proteínas y otras biomacromoléculas.
También se requieren muchos cationes metálicos en el proceso. El control de EDTA y las pruebas extensivas de presencia / ausencia de cationes muestran que Ca (II), Mn (II), Cu (II) y Zn (II) son todos esenciales en este proceso, probablemente funcionando como parte de una coenzima o grupo prostético. El Mg (II) tiene un efecto parcial, mientras que el Fe (II) y el Fe (III) son inhibidores hasta cierto punto. Se considera que los flagelos contribuyen a la formación de la película. La biopelícula necesita que las células bacterianas se muevan de cierta manera, mientras que los flagelos son el orgánulo que tiene la función locomotora. [10] Las cepas mutantes que carecen de flagelos aún pueden formar una película, aunque con mucha menos rapidez.
Aplicaciones
Nanotecnología
S. oneidensis MR-1 puede cambiar el estado de oxidación de los metales. Estos procesos microbianos permiten la exploración de aplicaciones novedosas, por ejemplo, la biosíntesis de nanomateriales metálicos. [3] A diferencia de los métodos químicos y físicos, los procesos microbianos para sintetizar nanomateriales se pueden lograr en fase acuosa en condiciones suaves y ambientalmente benignas. Se pueden utilizar muchos organismos para sintetizar nanomateriales metálicos. S. oneidensis es capaz de reducir una amplia gama de iones metálicos extracelularmente y esta producción extracelular facilita enormemente la extracción de nanomateriales. Las cadenas de transporte de electrones extracelulares responsables de la transferencia de electrones a través de las membranas celulares están relativamente bien caracterizadas, en particular los citocromos de tipo c de la membrana externa MtrC y OmcA. [11] Un estudio de 2013 sugirió que es posible alterar el tamaño de las partículas y la actividad de las nanopartículas biogénicas extracelulares mediante la expresión controlada de los genes que codifican las proteínas de superficie. Un ejemplo importante es la síntesis de nanopartículas de plata por S. oneidensis , donde su actividad antibacteriana puede verse influenciada por la expresión de citocromos de tipo c de la membrana externa. Las nanopartículas de plata se consideran una nueva generación de antimicrobianos, ya que exhiben actividad biocida hacia una amplia gama de bacterias y están ganando importancia con la creciente resistencia a los antibióticos por parte de bacterias patógenas. [3] Se ha observado que Shewanella en entornos de laboratorio biorreduce una cantidad sustancial de paladio y declora cerca del 70% de los bifenilos policlorados [12] La producción de nanopartículas por S. oneidensis MR-1 está estrechamente relacionada con la vía MTR [3] ( por ejemplo, nanopartículas de plata), o la vía de la hidrogenasa [13] (por ejemplo, nanopartículas de paladio).
Tratamiento de aguas residuales
La capacidad de S. oneidensis para reducir y absorber metales pesados lo convierte en un candidato para su uso en el tratamiento de aguas residuales . [6]
DSFO + posiblemente podría permitir que las bacterias se comuniquen eléctricamente con un electrodo y generen electricidad en una aplicación de aguas residuales. [6]
Genoma
Como anaerobio facultativo con vía de transporte de electrones ramificados , S. oneidensis se considera un organismo modelo en microbiología . En 2002 se publicó su secuencia genómica. Tiene un cromosoma circular de 4,9 Mb que se prevé que codifique 4.758 marcos de lectura abiertos de proteínas . Tiene un plásmido de 161 kb con 173 marcos de lectura abiertos. [14] Se hizo una nueva anotación en 2003. [15] [16] [17]
Referencias
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- ^ Genoma completo de Shewanella oneidensis
enlaces externos
- Nuevo comportamiento bacteriano observado Un estudio de PNAS documenta el movimiento desconcertante de las bacterias productoras de electricidad cerca de las fuentes de energía, resumen en Eurekalert
- Las bacterias 'que respiran rocas' podrían generar electricidad y limpiar los derrames de petróleo, ScienceDaily (15 de diciembre de 2009)
- ¿Bacterias que pueden formar circuitos eléctricos?
- Tipo de cepa de Shewanella oneidensis en Bac Dive - la base de metadatos de diversidad bacteriana