Геобактер
| Геобактер | |
|---|---|
 | |
| Геобактер серыредуценс | |
Научная классификация  | |
| Домен: | Бактерии |
| Тип: | Термодесульфобактерии |
| Сорт: | Десульфуромонадия |
| Заказ: | Геобактерии |
| Семья: | геобактериальные |
| Род: | Геобактер Lovley et al. 1995 [1] |
| Типовой вид | |
| Геобактер металлоредуценс Lovley et al. 1995 | |
| Разновидность | |
Посмотреть текст | |
Геобактер — род бактерий . Geobacter Виды представляют собой виды анаэробных дышащих бактерий, которые обладают способностями, делающими их полезными для биоремедиации . Geobacter оказался первым организмом, способным окислять органические соединения и металлы, включая железо, радиоактивные металлы и соединения нефти, в экологически безопасный диоксид углерода , используя при этом оксид железа или другие доступные металлы в качестве акцепторов электронов. [2] Также обнаружено, что виды Geobacter способны дышать на графитовом электроде . [3] Они были обнаружены в анаэробных условиях в почвах и водных отложениях. [4]
История
[ редактировать ]Geobacter metallireducens был впервые выделен Дереком Р. Ловли в 1987 году в песчаных отложениях реки Потомак в Вашингтоне, округ Колумбия. Первым штаммом считался штамм GS-15. [5]
виды Geobacter. и метанотрофы , такие как Candidatus Mmethylomirabilis и Mmethylobacter, были в большом количестве в образцах из колец «Боб» и «Шип Норт» в Онтарио, Канада. [6]
Метаболические механизмы
[ редактировать ]В течение довольно долгого времени, [ когда? ] Считалось, что у видов Geobacter отсутствуют c-цитохромы , которые можно использовать для восстановления ионов металлов, поэтому предполагалось, что им требуется прямой физический контакт, чтобы использовать ионы металлов в качестве терминальных акцепторов электронов (TEA). [7] Открытие пилей с высокой проводимостью у видов Geobacter и предложение использовать их в качестве биологических нанопроводов еще больше укрепили эту точку зрения. [7] Тем не менее, недавние открытия показали, что многие виды Geobacter , такие как Geobacter uraniireducens , не только не обладают высокопроводящими пилями, но также не нуждаются в прямом физическом контакте для использования ионов металлов в качестве ТЭА, что позволяет предположить, что существует большое разнообразие механизмов внеклеточного транспорта электронов среди видов Geobacter . [8] Например, еще один способ транспортировки электронов — через хинон -опосредованный электронный челнок, который наблюдается у Geobacterulfurreducens . [9]
Еще одним наблюдаемым метаболическим феноменом является сотрудничество между Geobacter видами , при котором несколько видов сотрудничают в метаболизме смеси химических веществ, которые ни один из них не может переработать в одиночку. При наличии этанола и фумарата натрия G. metallireducens расщепляет этанол, генерируя избыток электронов , которые передаются к G.ulfurreducens через нанопроволоки, выращенные между ними, что позволяет G.ulfurreducens расщеплять ионы фумарата. [10] Нанопроволоки состоят из белков с металлоподобной проводимостью. [11]
Приложения
[ редактировать ]Биодеградация и биоремедиация
[ редактировать ]Geobacter Способность поглощать загрязняющие вещества на нефтяной основе и радиоактивные материалы с двуокисью углерода в качестве побочного продукта отходов использовалась при очистке окружающей среды от подземных разливов нефти и для осаждения урана из грунтовых вод. [12] [13] Geobacter разлагает материал, создавая электропроводящие пили между собой и загрязняющим материалом, используя его в качестве источника электронов. [14]
Микробное биоразложение стойких органических загрязнителей имеет большое экологическое значение и включает в себя интригующие новые биохимические реакции. В частности, долгое время сомневались в способности углеводородов и галогенсодержащих соединений анаэробно разлагаться, но выделение до сих пор неизвестных анаэробных бактерий , разлагающих углеводороды и восстанавливающих дегалогены, документально подтвердило эти процессы в природе. Были открыты новые биохимические реакции, открывающие соответствующие метаболические пути, но прогресс в молекулярном понимании этих бактерий был замедлен из-за отсутствия генетических систем для большинства из них. Однако позже для таких бактерий стало доступно несколько полных последовательностей генома. Геном вида G. metallireducens, разлагающего углеводороды и восстанавливающего железо (инвентарный номер NC_007517), был определен в 2008 году. В геноме обнаружено наличие генов восстановительных дегалогеназ , что указывает на широкий спектр дегалогенирования. Более того, последовательности генома позволили понять эволюцию восстановительного дегалогенирования и различные стратегии адаптации ниш. [15]
Виды Geobacter часто являются преобладающими организмами, когда внеклеточный перенос электронов является важным процессом биоремедиации в подземных средах. Таким образом, был инициирован системный биологический подход к пониманию и оптимизации биоремедиации с использованием видов Geobacter с конечной целью разработки моделей in silico , которые могут прогнозировать рост и метаболизм видов Geobacter в различных подземных условиях. Геномы видов нескольких Geobacter были секвенированы. детальные функциональные геномные/физиологические исследования одного вида, G.ulfreducens Были проведены . Доступны геномные модели нескольких видов Geobacter , которые способны предсказывать физиологические реакции в различных условиях окружающей среды. Количественный анализ уровней транскриптов генов в ходе in situ биоремедиации урана показал, что можно отслеживать in situ скорость метаболизма и in situ метаболическое состояние Geobacter в недрах. [16]
Проводимость биопленки
[ редактировать ]Многие виды Geobacter , такие как G. sulfureducens , способны создавать толстые сети биопленок на анодах микробных топливных элементов для внеклеточного переноса электронов. [17] Цитохромы внутри биопленки связываются с пилями, образуя внеклеточные структуры, называемые нанопроволоками , которые облегчают внеклеточный перенос электронов по всей биопленке. [18] Эти цитохромы принимают электроны от микроорганизмов, а также от других восстановленных цитохромов, присутствующих в биопленке. [18]
Электрические токи возникают, когда перенос этих электронов на аноды сопровождается окислением внутриклеточных органических отходов. [18] Предыдущие исследования показали, что высокая проводимость биопленок Geobacter может быть использована для питания микробных топливных элементов и для выработки электроэнергии из органических отходов. [19] [20] В частности, G. sulfureducens является одним из самых высоких рекордов плотности тока микробных топливных элементов, который исследователям когда-либо удавалось измерить in vitro. [20] Эту способность можно объяснить проводимостью биопленки, поскольку было обнаружено, что биопленки с высокой проводимостью положительно коррелируют с высокими плотностями тока в микробных топливных элементах. [19]
В настоящее время разработка микробных топливных элементов для целей производства электроэнергии частично ограничена их неэффективностью по сравнению с другими источниками энергии и недостаточным пониманием внеклеточного переноса электронов. [21] Таким образом, многие исследователи в настоящее время изучают, как мы можем использовать проводимость биопленки в своих целях для получения еще более высоких плотностей тока. Было обнаружено, что среда с низким pH изменяет окислительно-восстановительный потенциал, тем самым ингибируя перенос электронов от микроорганизмов к цитохромам. [18] Кроме того, было обнаружено, что биопленки становятся менее проводящими при понижении температуры, хотя повторное повышение температуры может восстановить проводимость биопленки без каких-либо побочных эффектов. [22] наличие пилей или жгутиков у видов Geobacter увеличивает выработку электрического тока за счет более эффективного переноса электронов. Было обнаружено, что [23] Эти различные факторы можно настроить для производства максимальной электроэнергии и оптимизации биовосстановления в будущем. [21]
Нейроморфный мемристор
[ редактировать ]В исследовании Массачусетского университета в Амхерсте нейроморфная память (мемристор) использовала биопленку Geobacter, разрезанную на тонкие нити нанопроволоки. [24] Нити нанопроводов проводят низкое напряжение, подобное тому, которое испытывают нейроны человеческого мозга. В статье, соавтором которой является Дерек Лавли, Цзюнь Яо заметил, что его команда может «модулировать проводимость или пластичность синапса нанопроволоки-мемристора, чтобы он мог имитировать биологические компоненты для вычислений, основанных на мозге…». [25] Прорывное наблюдение произошло, когда они отслеживали активность напряжения на уровне менее 1 вольта.
Филогения
[ редактировать ]Принятая в настоящее время таксономия основана на Списке названий прокариот, имеющих номенклатуру (LPSN). [26] и Национальный центр биотехнологической информации (NCBI) [27]
| на основе 16S рРНК ДП _08_2023 [28] [29] [30] | 120 маркерных белков на основе GTDB 08-RS214 [31] [32] [33] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|
Неопределенные типы сидений:
- « Ca. G. eutropica» корриг. Мэй и др. 2018 год
- " Г. Гефестий " Янссен 2004 г.
- « G. humireducens » Holmes et al. 2003 г.
Популярная культура
[ редактировать ]Geobacter стал символом преподавания микробного электрогенеза и микробных топливных элементов и появился в учебных наборах, доступных для студентов и любителей. [34] Geobacter также используется для выработки электроэнергии с помощью электродной сети в Амазонке, Перу. [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Род: Геобактер» . lpsn.dsmz.de.
- ^ Чайлдерс, Сьюзен (2002). «Geobacter metallireducens получает доступ к нерастворимому оксиду Fe (III) посредством хемотаксиса». Природа . 416 (6882): 767–769. Бибкод : 2002Natur.416..767C . дои : 10.1038/416767a . ПМИД 11961561 . S2CID 2967856 .
- ^ Бонд, Дэниел (март 2003 г.). «Производство электроэнергии Geobacterulferreducens, прикрепленным к электродам» . Прикладная и экологическая микробиология . 69 (3): 1548–1555. Бибкод : 2003ApEnM..69.1548B . дои : 10.1128/АЕМ.69.3.1548-1555.2003 . ПМК 150094 . ПМИД 12620842 .
- ^ Ловли Д.Р., Штольц Дж.Ф., Норд Г.Л., Филлипс EJP (1987). «Анаэробное производство магнетита диссимиляционным железовосстанавливающим микроорганизмом» (PDF) . Природа . 350 (6145): 252–254. Бибкод : 1987Natur.330..252L . дои : 10.1038/330252a0 . S2CID 4234140 .
- ^ Ловли Д.Р., Штольц Дж.Ф., Норд Г.Л., Филлипс, EJP (1987). «Анаэробное производство магнетита диссимиляционным железовосстанавливающим микроорганизмом» (PDF) . Природа . 350 (6145): 252–254. Бибкод : 1987Natur.330..252L . дои : 10.1038/330252a0 . S2CID 4234140 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ фон Гунтен, Константин; Гамильтон, Стюарт М.; Чжун, Ченг; Несбё, Камилла; Ли, Цзяин; Мюленбахс, Карлис; Конхаузер, Курт О.; Алесси, Дэниел С. (декабрь 2018 г.). «Структуры бактериальных и архейных сообществ, управляемых донорами электронов, вдоль границ лесных колец в Онтарио, Канада: структуры микробных сообществ, управляемых донорами электронов, вдоль краев лесных колец» . Отчеты по экологической микробиологии . 10 (6): 663–672. дои : 10.1111/1758-2229.12678 . ПМИД 30014579 . S2CID 51650191 . Проверено 24 января 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б Регера, Джемма; Маккарти, Кевин Д.; Мехта, Тина; Николл, Джули С.; Туоминен, Марк Т.; Ловли, Дерек Р. (23 июня 2005 г.). «Внеклеточный перенос электронов через микробные нанопроволоки». Природа . 435 (7045): 1098–1101. Бибкод : 2005Natur.435.1098R . дои : 10.1038/nature03661 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 15973408 . S2CID 4425287 .
- ^ Тан, Ян; Адхикари, Рамеш Ю.; Малванкар, Нихил С.; Уорд, Джой Э.; Невин, Келли П.; Вудард, Тревор Л.; Смит, Джессика А.; Снойенбос-Вест, Уна Л.; Фрэнкс, Эшли Э. (28 июня 2016 г.). «Низкая проводимость Geobacter uraniireducens Pili предполагает разнообразие механизмов внеклеточного переноса электронов у рода Geobacter » . Границы микробиологии . 7 : 980. дои : 10.3389/fmicb.2016.00980 . ISSN 1664-302X . ПМЦ 4923279 . ПМИД 27446021 .
- ^ Пэт-Эспадас, Аврора М.; Разо-Флорес, Элиас; Ранхель-Мендес, Ж. Рене; Сервантес, Франсиско Дж. (2014). «Прямое и хинон-опосредованное восстановление палладия Geobacterulferreducens : механизмы и моделирование». Экологические науки и технологии . 48 (5): 2910–2919. Бибкод : 2014EnST...48.2910P . дои : 10.1021/es403968e . ПМИД 24494981 .
- ^ Уильямс, Кэролайн (2011). «Кого ты называешь простым?». Новый учёный . 211 (2821): 38–41. дои : 10.1016/S0262-4079(11)61709-0 .
- ^ Малванкар, Нихил; Варгас, Мэдлин; Невин, Келли; Трамбле, Пьер-Люк; Эванс-Латтеродт, Кеннет; Никипанчук Дмитрий; Марц, Эрик; Туоминен, Марк Т; Ловли, Дерек Р. (2015). «Структурная основа металлоподобной проводимости в микробных нанопроволоках» . мБио . 6 (2): e00084. дои : 10.1128/mbio.00084-15 . ПМЦ 4453548 . ПМИД 25736881 .
- ^ Андерсон Р.Т., Врионис Х.А., Ортис-Бернад И., Реш К.Т., Лонг П.Е., Дэйволт Р., Карп К., Маруцки С., Мецлер Д.Р., Пикок А., Уайт Д.С., Лоу М., Ловли Д.Р. (2003). «Стимулирование активности видов Geobacter in situ для удаления урана из грунтовых вод загрязненного ураном водоносного горизонта» . Прикладная и экологическая микробиология . 69 (10): 5884–91. Бибкод : 2003ApEnM..69.5884A . doi : 10.1128/aem.69.10.5884-5891.2003 . ЧВК 201226 . ПМИД 14532040 .
- ^ Кологджи, Дена (2014). «Усиленная иммобилизация и восстановление урана биопленками Geobacterulferreducens» . Прикладная и экологическая микробиология . 80 (21): 6638–6646. Бибкод : 2014ApEnM..80.6638C . дои : 10.1128/АЕМ.02289-14 . ПМК 4249037 . ПМИД 25128347 .
- ^ «Эксперимент и теория наконец-то объединились в дебатах по поводу микробных нанопроволок» . Физика.орг . Проверено 5 января 2016 г.
- ^ Хайдер Дж., Рабус Р. (2008). «Геномные идеи анаэробного биоразложения органических загрязнителей» . Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология . Кайстер Академик Пресс. ISBN 978-1-904455-17-2 .
- ^ Диас Э, изд. (2008). Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология (1-е изд.). Кайстер Академик Пресс. ISBN 978-1-904455-17-2 .
- ^ Йейтс, Мэтью Д.; Стрихарц-Главен, Сара М.; Голден, Джоэл П.; Рой, Джаред; Цой, Станислав; Эриксон, Джеффри С.; Эль-Наггар, Мохамед Ю.; Бартон, Скотт Калабрезе; Тендер, Леонард М. (08 ноября 2016 г.). «Измерение проводимости живых биопленок Geobacter сераредуцирует». Природные нанотехнологии . 11 (11): 910–913. Бибкод : 2016НатНа..11..910Г . дои : 10.1038/nnano.2016.186 . ISSN 1748-3395 . ПМИД 27821847 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Бонд, Дэниел Р.; Стрихарц-Главен, Сара М.; Тендер, Леонард М.; Торрес, Сезар И. (21 мая 2012 г.). «О транспорте электронов через биопленки Geobacter». ChemSusChem . 5 (6): 1099–1105. дои : 10.1002/cssc.201100748 . ПМИД 22615023 .
- ^ Перейти обратно: а б Малванкар, Нихил С.; Туоминен, Марк Т.; Ловли, Дерек Р. (25 января 2012 г.). «Проводимость биопленки является решающей переменной для топливных элементов Geobacter с высокой плотностью тока, снижающих микробную активность» . Энергетика и экология . 5 (2): 5790. doi : 10.1039/C2EE03388G . ISSN 1754-5706 .
- ^ Перейти обратно: а б Йи, Хана; Невин, Келли П.; Ким, Бён Чан; Фрэнкс, Эшли Э.; Климс, Анна; Тендер, Леонард М.; Ловли, Дерек Р. (15 августа 2009 г.). «Выбор варианта Geobacterulferreducens с повышенной производительностью для текущего производства микробных топливных элементов». Биосенсоры и биоэлектроника . 24 (12): 3498–3503. дои : 10.1016/j.bios.2009.05.004 . ISSN 1873-4235 . ПМИД 19487117 .
- ^ Перейти обратно: 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 . ПМИД 19330018 . S2CID 2560062 .
- ^ Йейтс, Мэтью Д.; Голден, Джоэл П.; Рой, Джаред; Стрихарц-Главен, Сара М.; Цой, Станислав; Эриксон, Джеффри С.; Эль-Наггар, Мохамед Ю.; Бартон, Скотт Калабрезе; Тендер, Леонард М. (2 декабря 2015 г.). «Термически активированный перенос электронов на большие расстояния в живых биопленках». Физическая химия Химическая физика . 17 (48): 32564–32570. Бибкод : 2015PCCP...1732564Y . дои : 10.1039/c5cp05152e . ISSN 1463-9084 . ПМИД 26611733 .
- ^ Регера, Джемма; Невин, Келли П.; Николл, Джули С.; Ковалла, Шон Ф.; Вудард, Тревор Л.; Ловли, Дерек Р. (1 ноября 2006 г.). «Производство биопленок и нанопроволок приводит к увеличению тока в топливных элементах Geobacterulferreducens» . Прикладная и экологическая микробиология . 72 (11): 7345–7348. Бибкод : 2006ApEnM..72.7345R . дои : 10.1128/АЕМ.01444-06 . ISSN 0099-2240 . ПМК 1636155 . ПМИД 16936064 .
- ^ «Исследователи представляют электронику, которая имитирует человеческий мозг в эффективном обучении» . Физика.орг . 20 апреля 2020 г. Проверено 20 апреля 2020 г.
- ^ Фу, Тианда (20 апреля 2020 г.). «Биоинспирированные мемристоры бионапряжения» . Природные коммуникации . 11 (1): 1861. Бибкод : 2020NatCo..11.1861F . дои : 10.1038/s41467-020-15759-y . ПМК 7171104 . ПМИД 32313096 .
- ^ АС Парте; и др. «Геобактер» . Список названий прокариот, имеющих номенклатуру (LPSN) . Проверено 9 сентября 2022 г.
- ^ Сэйерс; и др. «Геобактер» . База данных таксономии Национального центра биотехнологической информации (NCBI) . Проверено 9 сентября 2022 г.
- ^ «ЛТП» . Проверено 20 ноября 2023 г.
- ^ «Дерево LTP_all в формате Ньюика» . Проверено 20 ноября 2023 г.
- ^ «Примечания к выпуску LTP_08_2023» (PDF) . Проверено 20 ноября 2023 г.
- ^ «Выпуск GTDB 08-RS214» . База данных геномной таксономии . Проверено 10 мая 2023 г.
- ^ "bac120_r214.sp_label" . База данных геномной таксономии . Проверено 10 мая 2023 г.
- ^ «История таксонов» . База данных геномной таксономии . Проверено 10 мая 2023 г.
- ^ «MudWatt: вырастить живой топливный элемент» . Волшебные микробы .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- LPSN , Род: Geobacter.
- «Проект Геобактер» . Архивировано из оригинала 3 мая 2009 года . Проверено 13 августа 2005 г.
- Микробная биодеградация, биоремедиация и биотрансформация
- Электрифицирующее решение