Синтетические микробные консорциумы
Синтетические микробные консорциумы или синтетические микробные сообщества (обычно называемые SynComs) представляют собой многопопуляционные системы, которые могут содержать разнообразные виды микробов и могут быть адаптированы для обслуживания различных промышленных, экологических, [1] и тавтологичен [ нужны разъяснения ] интересы. В области синтетической биологии консорциумы переносят способность создавать новое поведение клеток на популяционный уровень.
Консорциумы более распространены в природе и обычно оказываются более устойчивыми, чем монокультуры. [2] На сегодняшний день культивировано и идентифицировано чуть более 7000 видов бактерий. Многие из оставшихся, по оценкам, 1,2 миллиона видов бактерий еще не культивированы и не идентифицированы, отчасти из-за невозможности культивирования аксеническим путем . [3] Данные о симбиозе между микробами убедительно свидетельствуют о том, что он был необходимым предшественником эволюции наземных растений и их перехода от водорослевых сообществ в море к суше. [4] При разработке синтетических консорциумов или редактировании естественных консорциумов синтетические биологи отслеживают pH, температуру, начальные метаболические профили, время инкубации, скорость роста и другие соответствующие переменные. [2]
Биотопливо
[ редактировать ]Одним из наиболее важных применений инженерного поведения и взаимодействия между микробами в сообществе является способность комбинировать или даже переключать метаболизм. Сочетание автотрофных и гетеротрофных микробов дает уникальную возможность сбора самодостаточного сообщества, которое может производить желаемое биотопливо . [2] Было обнаружено, что совместные диады автотрофных Synechococcus elongatus и гетеротрофных Escherichia coli способны расти синхронно, когда штамм S. elongatus был трансформирован для включения гена экспорта сахарозы. [5] Комменсальная комбинация цианобактерий, продуцирующих сахарозу, с модифицированным метаболизмом E. coli может позволить получить разнообразный набор метаболических продуктов, таких как различные бутаноловые биотоплива, терпеноиды и топливо, полученное из жирных кислот. [6]
Включение гетеротрофа также обеспечивает решение проблем загрязнения при производстве углеводов, поскольку конкуренция может ограничить жизнеспособность видов-загрязнителей. [2] В изолированных системах это может быть ограничением возможности крупномасштабного производства биотоплива, например прудов с водорослями, где загрязнение может значительно снизить желаемую производительность. [7]
Благодаря взаимодействию между Geobacter spp. и метаногены из почвы на рисовых полях, было обнаружено, что использование межвидового переноса электронов стимулирует выработку метана. [8] Учитывая обилие проводящих металлов в почвах и использование метана (природного газа) в качестве топлива, это может привести к процессу производства биоэнергии. [8]
Биоремедиация
[ редактировать ]Использование широкого спектра микробного метаболизма открывает возможности для тех, кто интересуется биоремедиацией . С помощью консорциумов синтетические биологи смогли разработать повышенную эффективность бактерий, которые могут выделять био-поверхностно-активные вещества, а также разлагать углеводороды для очистки нефтяных загрязнений в Ассаме, Индия. [9] В их эксперименте были использованы комбинации пяти местных природных бактерий, разлагающих углеводороды, и проанализированы различные коктейли, чтобы определить, какие из них лучше всего разлагают полиароматические углеводороды. [9] Комбинация Bacillus pumilis KS2 и Bacillus cereus R2 оказалась наиболее эффективной: за 5 недель она разлагала 84,15% ТПГ . [9]
Дальнейшие усилия по восстановлению обратились к проблеме сельскохозяйственных пестицидов сброса . Пестициды различаются по классу и функциям, а высокие концентрации часто приводят к высокотоксичным экологическим рискам. [10] Из более чем 500 типов пестицидов, используемых в настоящее время, две серьезные проблемы заключаются в их общей неспособности к биоразложению и непредсказуемости. [11] В Кыргызстане исследователи оценили почву вокруг свалки пестицидов и обнаружили не только то, что почва имеет плохое разнообразие микрофлоры, но и то, что некоторые из присутствующих видов использовали метаболические пути для переваривания пестицидов. [10] Двумя наиболее эффективными обнаруженными видами были Pseudomonas fluorescens и Bacillus Polymyxa , причем B. Polymyxa разлагала 48,2% пестицида альдрин через 12 дней. [10] Однако когда штаммы были объединены друг с другом, а также с некоторыми другими менее эффективными, но местными бактериями, деградация пестицидов увеличилась до 54,0% в тех же условиях. [10] Дулаткельдиева и др. обсудили свои выводы, сказав
«Следовательно, возможно, что способность бактерий к разложению может быть увеличена только за счет совместного культивирования, что показывает, что эти бактерии естественным образом сосуществуют и зависят друг от друга в использовании веществ окружающей среды. В путях окисления и гидролиза разложения пестицидов , каждая бактерия может производить метаболиты, которые будут использоваться ферментной системой следующей бактерии». [10]
Биопластик
[ редактировать ]В ответ на увеличение использования небиоразлагаемых пластиков на нефтяной основе и их последующее накопление в виде отходов ученые разработали биоразлагаемые и компостируемые альтернативы, часто называемые биопластиками . [12] Однако не все биологически созданные пластмассы обязательно являются биоразлагаемыми, и это может стать источником путаницы. [13] [ ненадежный источник? ] Поэтому важно различать типы биопластиков: биоразлагаемые биопластики, которые могут разлагаться некоторой микрофлорой, и просто пластики на биологической основе, которые являются возобновляемым источником пластика, но требуют больше усилий для утилизации. [13]
Одним из представляющих интерес биопластиков является полигидроксибутират , сокращенно ПГБ. ПОБ — это биоразлагаемый биопластик, который применяется для упаковки пищевых продуктов, поскольку он нетоксичен. [14] перепрофилированная E. coli , а также Halomonas boliviensis продуцируют ПОБ. Было показано, что [15] [16] Производство ПОБ, начиная с диоксида углерода в совместной культуре S. elongatus и H. boliviensis, оказалось стабильной и непрерывно продуктивной парой в течение 5 месяцев без помощи антибиотиков. [15]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ https://apsjournals.apsnet.org/doi/10.1094/PHYTO-01-23-0016-IA .
- ^ Jump up to: а б с д Хейс, Стефани Г.; Дукат, Дэниел К. (14 февраля 2014 г.). «Инженерные цианобактерии как фабрики по производству фотосинтетического сырья» . Исследования фотосинтеза . 123 (3): 285–295. дои : 10.1007/s11120-014-9980-0 . ПМЦ 5851442 . ПМИД 24526260 .
- ^ Стюарт, Эрик Дж. (15 августа 2012 г.). «Выращивание некультивируемых бактерий» . Журнал бактериологии . 194 (16): 4151–4160. дои : 10.1128/JB.00345-12 . ПМЦ 3416243 . ПМИД 22661685 .
- ^ Дело, Пьер-Марк; Радхакришнан, Гуру В.; Джаяраман, Дхилипкумар; Чима, Джитендер; Мальбрейль, Матильда; Волкенинг, Джереми Д.; Сэкимото, Хироюки; Нисияма, Томоаки; Мелконян, Михаил (27 октября 2015 г.). «Водорослевой предок наземных растений был предадаптирован к симбиозу» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 112 (43): 13390–13395. Бибкод : 2015PNAS..11213390D . дои : 10.1073/pnas.1515426112 . ПМЦ 4629359 . ПМИД 26438870 .
- ^ Хейс, Стефани Г.; Ян, Лео LW; Сильвер, Памела А.; Дукат, Дэниел К. (23 января 2017 г.). «Синтетические фотосинтетические консорциумы определяют взаимодействия, ведущие к устойчивости и фотопроизводству» . Журнал биологической инженерии . 11 (1): 4. дои : 10.1186/s13036-017-0048-5 . ПМЦ 5259876 . ПМИД 28127397 .
- ^ Канг, Арам; Ли, Тэк Сун (27 октября 2015 г.). «Превращение сахара в биотопливо: этанол и не только» . Биоинженерия . 2 (4): 184–203. doi : 10.3390/bioengineering2040184 . ПМЦ 5597089 . ПМИД 28952477 .
- ^ Макбрайд, Роберт С.; Лопес, Сальвадор; Минах, Крис; Бернетт, Майк; Ли, Филип А.; Нохилли, Фиона; Бенке, Крейг (июнь 2014 г.). «Управление загрязнением в недорогих открытых прудах с водорослями для производства биотоплива». Промышленная биотехнология . 10 (3): 221–7. дои : 10.1089/инд.2013.0036 .
- ^ Jump up to: а б Като, Соитиро; Хасимото, Кадзухито; Ватанабэ, Казуя (июль 2012 г.). «Метаногенез, которому способствует электрическая синтрофия через (полу)проводящие минералы оксида железа». Экологическая микробиология . 14 (7): 1646–54. дои : 10.1111/j.1462-2920.2011.02611.x . ПМИД 22004041 .
- ^ Jump up to: а б с Патовари, Каустувмани; Патовари, Рупшиха; Калита, Мохан К.; Дека, Суреш (14 июля 2016 г.). «Развитие эффективного бактериального консорциума для потенциальной очистки углеводородов от загрязненных территорий» . Границы микробиологии . 7 : 1092. дои : 10.3389/fmicb.2016.01092 . ПМЦ 4943938 . ПМИД 27471499 .
- ^ Jump up to: а б с д и Доолоткельдиева, Тинатин; Конурбаева, Максабат; Бобушева, Сайкал (1 ноября 2018 г.). «Микробные сообщества в загрязненных пестицидами почвах Кыргызстана и возможности биоремедиации» . Наука об окружающей среде и исследования загрязнения . 25 (32): 31848–31862. дои : 10.1007/s11356-017-0048-5 . ПМК 6208721 . ПМИД 28884389 .
- ^ ван дер Верф, Хайо М.Г. (декабрь 1996 г.). «Оценка воздействия пестицидов на окружающую среду». Сельское хозяйство, экосистемы и окружающая среда . 60 (2–3): 81–96. дои : 10.1016/S0167-8809(96)01096-1 .
- ^ Сонг, Дж. Х.; Мерфи, Р.Дж.; Нараян, Р.; Дэвис, Великобритания (27 июля 2009 г.). «Биоразлагаемые и компостируемые альтернативы обычному пластику» . Философские труды Королевского общества B: Биологические науки . 364 (1526): 2127–2139. дои : 10.1098/rstb.2008.0289 . ПМК 2873018 . ПМИД 19528060 .
- ^ Jump up to: а б Кунстштоффе (август 2008 г.). «Что такое биопластики?» . Биопластик.орг .
- ^ Ханкермейер, ЧР; Тьердема, РС (1999). «Полигидроксибутират: пластик, производимый и разлагаемый микроорганизмами». Обзоры загрязнения окружающей среды и токсикологии . Том. 159. стр. 1–24. дои : 10.1007/978-1-4612-1496-0_1 . ISBN 978-1-4612-7167-3 . ПМИД 9921137 .
- ^ Jump up to: а б Вайс, Тейлор Л.; Янг, Эрик Дж.; Дукат, Дэниел К. (ноябрь 2017 г.). «Синтетический консорциум цианобактерий и гетеротрофных бактерий, управляемый светом, обеспечивает стабильное производство полигидроксибутирата». Метаболическая инженерия . 44 : 236–245. дои : 10.1016/j.ymben.2017.10.009 . ПМИД 29061492 .
- ^ Рахман, Асиф; Линтон, Элизабет; Хэтч, Алекс Д; Симс, Рональд С; Миллер, Чарльз Д. (2013). «Секреция полигидроксибутирата в Escherichia coli с использованием подхода синтетической биологической инженерии» . Журнал биологической инженерии . 7 (1): 24. дои : 10.1186/1754-1611-7-24 . ПМК 4015293 . ПМИД 24139229 .
