Синтетические микробные консорциумы - Synthetic microbial consortia - Wikipedia

а ТЕМ фотография кишечной палочки, хемогетеротрофных бактерий, часто используемых в синтетических микробных консорциумах.

Синтетические микробные консорциумы (обычно называемые совместными культурами) представляют собой многопопуляционные системы, которые могут содержать широкий спектр микробных видов и могут быть адаптированы для обслуживания различных промышленных, экологических и тавтологических[требуется разъяснение ] интересы. За синтетическая биология, консорциумы используют способность конструировать новое поведение клеток на уровне популяции.

Консорциумы более распространены в природе и обычно оказываются более устойчивыми, чем монокультуры.[1] На сегодняшний день культивировано и идентифицировано чуть более 7000 видов бактерий. Многие из примерно 1,2 миллиона видов бактерий, которые остаются, еще предстоит культивировать и идентифицировать, отчасти из-за невозможности культивирования. аксиально.[2] Свидетельства симбиоза между микробами убедительно свидетельствуют о том, что он был необходимым предшественником эволюции наземных растений и их перехода от сообществ водорослей в море к суше.[3] При разработке синтетических консорциумов или редактировании природных консорциумов синтетические биологи отслеживают pH, температуру, начальные метаболические профили, время инкубации, скорость роста и другие соответствующие переменные.[1]

Биотопливо

Одно из наиболее важных применений инженерного поведения и взаимодействия между микробами в сообществе - это способность комбинировать или даже переключать метаболизм. Комбинация автотрофных и гетеротрофных микробов дает уникальную возможность самодостаточного сообщества, которое может производить желаемые биотопливо быть собранным.[1] Совместное культивирование диад автотрофных Synechococcus elongatus и гетеротрофные кишечная палочка оказалось, что они могут расти синхронно, когда напряжение S. elongatus трансформировали, чтобы включить ген экспорта сахарозы.[4] Комменсальная комбинация цианобактерий, продуцирующих сахарозу, с модифицированными Кишечная палочка метаболизм может способствовать появлению разнообразных продуктов метаболизма, таких как различные биотоплива бутанола, терпеноиды и топливо, полученное из жирных кислот.[5]

Включение гетеротрофа также обеспечивает решение проблем загрязнения при производстве углеводов, поскольку конкуренция может ограничивать жизнеспособность видов-загрязнителей.[1] В изолированных системах это может быть ограничением возможности крупномасштабных операций с биотопливом, таких как пруды с водорослями, где загрязнение может значительно снизить желаемый выход.[6]

Через взаимодействие между Геобактер виды и Метаногены Из почвы на рисовом поле было обнаружено, что использование межвидового переноса электронов стимулировало производство метана.[7] Учитывая обилие проводящих металлов в почвах и использование Метан (природный газ) в качестве топлива, это может привести к процессу производства биоэнергии.[7]

Биоремедиация

Использование широкого диапазона микробного метаболизма открывает возможности для тех, кто интересуется Биоремедиация. Посредством консорциумов синтетические биологи смогли разработать повышенную эффективность бактерий, которые могут выделять био-поверхностно-активные вещества, а также разлагать углеводороды в интересах очистки нефтяного загрязнения в Ассаме, Индия.[8] В их эксперименте были взяты комбинации пяти природных бактерий, разлагающих углеводороды, и проанализированы различные коктейли, чтобы увидеть, какие разложенные полиароматические углеводороды лучше всего.[8] Сочетание Bacillus pumilis KS2 и Bacillus cereus R2 оказался наиболее эффективным, разрушив 84,15% TPH через 5 недель.[8]

Дальнейшие меры по восстановлению коснулись проблемы сельскохозяйственных Пестицид сток. Пестициды различаются по классам и функциям, и их высокая концентрация часто приводит к высокотоксичным экологическим рискам.[9] Из более чем 500 типов пестицидов, используемых в настоящее время, две серьезные проблемы - это их общая неспособность к биологическому разложению и непредсказуемость.[10] В Кыргызстане исследователи оценили почву вокруг свалки пестицидов и обнаружили не только то, что в почве было плохое разнообразие микрофлоры, но и что некоторые из присутствующих видов использовали метаболические пути для переваривания пестицидов.[9] Были обнаружены два наиболее эффективных вида: Pseudomonas fluorescens и Bacillus polymyxa, с Б. polymyxa разлагает 48,2% пестицида Олдрин через 12 дней.[9] Однако, когда штаммы были объединены друг с другом, а также с некоторыми другими менее эффективными, но нативными бактериями, разложение пестицидов увеличилось до 54,0% в тех же условиях.[9] Доолаткельдиева и др. обсудили свои выводы, говоря

«Следовательно, возможно, что способность бактерий к разложению может быть увеличена только путем 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 при разложении пестицидов каждая бактерия может продуцировать метаболиты, которые будут использоваться ферментной системой следующей бактерии ».[9]

Биопластик

В ответ на рост использования биоразлагаемых пластиков на масляной основе и их последующее накопление в виде отходов ученые разработали биоразлагаемые и компостируемые альтернативы, часто называемые Биопластики.[11] Однако не все биологически созданные пластмассы обязательно являются биоразлагаемыми, и это может быть источником путаницы.[12] Поэтому важно различать типы биопластиков, биоразлагаемые биопластики, которые могут разлагаться некоторой микрофлорой, и просто пластмассы на биологической основе, которые являются возобновляемым источником пластика, но требуют больших усилий для удаления.[12]

Одним из представляющих интерес биопластиков является Полигидроксибутират, сокращенно PHB. ПОБ - это биоразлагаемый биопластик, который, поскольку он нетоксичен, находит применение для упаковки пищевых продуктов.[13] Перепрофилирован Кишечная палочка, а также Halomonas boliviensis, было показано, что они производят PHB.[14][15] Производство ПОБ из углекислого газа в совместной культуре между S. elongatus и H. boliviensis зарекомендовала себя как стабильная и непрерывно продуктивная пара в течение 5 месяцев без помощи антибиотиков.[14]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Хейс, Стефани Дж .; Дукат, Дэниел К. (14 февраля 2014 г.). «Инженерные цианобактерии как фабрики фотосинтетического сырья». Фотосинтез Исследования. 123 (3): 285–295. Дои:10.1007 / s11120-014-9980-0. ЧВК  5851442. PMID  24526260.
  2. ^ Стюарт, Эрик Дж. (15 августа 2012 г.). «Выращивание некультивируемых бактерий». Журнал бактериологии. 194 (16): 4151–4160. Дои:10.1128 / JB.00345-12. ЧВК  3416243. PMID  22661685.
  3. ^ Дело, Пьер-Марк; Радхакришнан, Гуру В .; Джаяраман, Дхилипкумар; Чима, Джитендер; Мальбрейл, Матильда; Volkening, Джереми Д.; Секимото, Хироюки; Нисияма, Томоаки; Мелконян, Майкл (27 октября 2015 г.). «Водорослевой предок наземных растений был приспособлен к симбиозу». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 112 (43): 13390–13395. Bibcode:2015ПНАС..11213390D. Дои:10.1073 / pnas.1515426112. ЧВК  4629359. PMID  26438870.
  4. ^ Хейс, Стефани Дж .; Ян, Лео Л. В .; Серебро, 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. ЧВК  5259876. PMID  28127397.
  5. ^ Канг, Арам; Ли, Таэк Сун (27 октября 2015 г.). «Превращение сахара в биотопливо: этанол и не только». Биоинженерия. 2 (4): 184–203. Дои:10.3390 / биоинженерия2040184. ЧВК  5597089. PMID  28952477.
  6. ^ Макбрайд, Роберт С .; Лопес, Сальвадор; Минах, Крис; Бернетт, Майк; Ли, Филип А .; Нохилли, Фиона; Бенке, Крейг (июнь 2014 г.). "Управление загрязнением в недорогих открытых водоемах для производства биотоплива". Промышленная биотехнология. 10 (3): 221–7. Дои:10.1089 / инд.2013.0036.
  7. ^ а б Като, Соичиро; Хашимото, Кадзухито; Ватанабэ, Кадзуя (июль 2012 г.). «Метаногенез облегчается электрической синтрофией через (полупроводящие) минералы оксида железа». Экологическая микробиология. 14 (7): 1646–54. Дои:10.1111 / j.1462-2920.2011.02611.x. PMID  22004041.
  8. ^ а б c Патовары, Каустувмани; Патовары, Рупшиха; Kalita, Mohan C .; Дека, Суреш (14 июля 2016 г.). «Разработка эффективного бактериального консорциума для потенциальной утилизации углеводородов с загрязненных участков». Границы микробиологии. 7: 1092. Дои:10.3389 / fmicb.2016.01092. ЧВК  4943938. PMID  27471499.
  9. ^ а б c d е Доолоткельдиева, Тинатин; Конурбаева, Максабат; Бобушева, Сайкал (1 ноября 2018 г.). «Микробные сообщества на загрязненных пестицидами почвах в Кыргызстане и возможности биоремедиации». Экология и исследования загрязнения окружающей среды. 25 (32): 31848–31862. Дои:10.1007 / s11356-017-0048-5. ЧВК  6208721. PMID  28884389.
  10. ^ 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.
  11. ^ Song, J. H .; Мерфи, Р. Дж .; Narayan, R .; Дэвис, Г. Б. Х. (27 июля 2009 г.). «Биоразлагаемые и компостируемые альтернативы обычным пластмассам». Философские труды Королевского общества B: биологические науки. 364 (1526): 2127–2139. Дои:10.1098 / rstb.2008.0289. ЧВК  2873018. PMID  19528060.
  12. ^ а б Кунсттоффе (август 2008 г.). "Что такое биопластики?". Bio-plastics.org.[ненадежный источник? ]
  13. ^ Ханкермейер, CR; Tjeerdema, RS (1999). «Полигидроксибутират: пластик, производимый и разлагаемый микроорганизмами». Обзоры загрязнения окружающей среды и токсикологии. 159: 1–24. Дои:10.1007/978-1-4612-1496-0_1. ISBN  978-1-4612-7167-3. PMID  9921137.
  14. ^ а б Weiss, Taylor L .; Янг, Эрик Дж .; Дукат, Дэниел К. (ноябрь 2017 г.). «Синтетический, управляемый светом консорциум цианобактерий и гетеротрофных бактерий обеспечивает стабильное производство полигидроксибутирата». Метаболическая инженерия. 44: 236–245. Дои:10.1016 / j.ymben.2017.10.009. PMID  29061492.
  15. ^ Рахман, Асиф; Линтон, Элизабет; Люк, 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. ЧВК  4015293. PMID  24139229.