Rhodopseudomonas palustris — палочковидная грамотрицательная пурпурная несерная бактерия , известная своей способностью переключаться между четырьмя различными режимами метаболизма. [ 2]
R. palustris широко распространен в природе и был выделен из свиных отходов лагун, помета дождевых червей, морских прибрежных отложений и прудовой воды. Хотя пурпурные несерные бактерии обычно фотогетеротрофны , R. palustris может гибко переключаться между любым из четырех режимов метаболизма, поддерживающих жизнь: фотоавтотрофным , фотогетеротрофным , хемоавтотрофным или хемогетеротрофным . [2]
R. palustris обычно встречается в виде комка слизистых масс, а культуры появляются от бледно-коричневого до персикового цвета. Этимологически rhodum — это греческое существительное, означающее розу, pseudes — греческое прилагательное, означающее ложный, а monas относится к единице в греческом языке. Таким образом, Rhodopseudomonas , что подразумевает единицу ложной розы, описывает внешний вид бактерий. Palustris — латинское слово, означающее болотистый, и указывает на обычную среду обитания бактерии. [3]
R. palustris может расти как с кислородом , так и без него, или может использовать свет или неорганические или органические соединения для получения энергии. Он также может получать углерод либо из фиксации углекислого газа , либо из соединений, полученных из зеленых растений. Наконец, R. palustris также способен фиксировать азот для роста. Эта метаболическая универсальность вызвала интерес в исследовательском сообществе и делает эту бактерию пригодной для потенциального использования в биотехнологических приложениях.
В настоящее время предпринимаются попытки понять, как этот организм регулирует свой метаболизм в ответ на изменения окружающей среды. Полный геном штамма Rhodopseudomonas palustris CGA009 был секвенирован в 2004 году (см. список секвенированных бактериальных геномов ), чтобы получить больше информации о том, как бактерия ощущает изменения окружающей среды и регулирует свои метаболические пути. R. palustris может ловко получать и перерабатывать различные компоненты из своей окружающей среды, как того требуют колебания уровней углерода, азота, кислорода и света.
У R. palustris есть гены, которые кодируют белки, составляющие светособирающие комплексы (LHC) и фотосинтетические реакционные центры. LHC и фотосинтетические реакционные центры обычно встречаются в фотосинтезирующих организмах, таких как зеленые растения. Более того, R. palustris может модулировать фотосинтез в зависимости от количества доступного света, как и другие пурпурные бактерии. Например, в условиях низкой освещенности он реагирует, увеличивая уровень этих LHC, которые позволяют поглощать свет. Длины волн света, поглощаемого R. palustris, отличаются от тех, которые поглощаются другими фототрофами.
R. palustris также имеет гены , кодирующие белок ruBisCO , фермент, необходимый для фиксации углекислого газа в растениях и других фотосинтезирующих организмах. Геном CGA009 также показывает существование белков, участвующих в фиксации азота (см. диазотроф ).
Кроме того, эта бактерия может сочетать в себе процессы ферментативных реакций, чувствительных к кислороду, и процессы, требующие кислорода, для своего метаболизма, поэтому она может процветать при различных и даже очень низких уровнях кислорода.
Геном R. palustris состоит из множества генов, которые отвечают за биодеградацию. Он может метаболизировать лигнин и кислоты, обнаруженные в разлагающихся растительных и животных отходах, метаболизируя углекислый газ. [4] Кроме того, он может разлагать ароматические соединения, обнаруженные в промышленных отходах. [5] Эта бактерия является эффективным катализатором биодеградации как в аэробных, так и в анаэробных условиях. [ требуется цитата ]
Пурпурные фототрофные бактерии привлекли внимание своими биотехнологическими применениями. Эти бактерии могут быть использованы для синтеза биопластов и производства водорода . R. palustris обладает уникальной характеристикой кодирования ванадийсодержащей нитрогеназы . Она производит в качестве побочного продукта фиксации азота в три раза больше водорода, чем молибденсодержащие нитрогеназы других бактерий. [2] Потенциал манипулирования R. palustris для использования в качестве надежного источника производства водорода или для биодеградации все еще не имеет подробных знаний о ее метаболических путях и механизмах регуляции.
Штамм R. palustris (DX-1) является одним из немногих микроорганизмов и первой альфапротеобактерией, которая, как было обнаружено, генерирует электричество при высоких плотностях мощности в микробных топливных элементах (МТЭ) с низким внутренним сопротивлением . [6] DX-1 производит электрический ток в МТЭ в отсутствие катализатора, без света или производства водорода. Этот штамм является экзоэлектрогенным , что означает, что он может переносить электроны за пределы клетки. Другие микроорганизмы, выделенные из МТЭ, не могут производить плотности мощности выше, чем смешанные культуры микробов могут в тех же условиях топливного элемента, но R. palustris DX-1 может производить значительно более высокие плотности мощности.
Этот вид Rhodopseudomonas широко распространен в сточных водах, а DX-1 вырабатывает электричество, используя соединения, которые, как известно, разлагает Rhodopseudomonas . Поэтому эта технология может быть использована для производства биоэлектричества из биомассы и для очистки сточных вод. Однако энергии, вырабатываемой в ходе этого процесса, в настоящее время недостаточно для крупномасштабной очистки сточных вод. [7]
Исследование 2014 года объяснило клеточные процессы, которые позволяют штамму R. palustris TIE-1 получать энергию посредством внеклеточного переноса электронов. [8] TIE-1 любопытным образом принимает электроны из материалов, богатых железом, серой и другими минералами, обнаруженными в осадке под поверхностью. В необычной стратегии, когда микробы оттягивают электроны от железа, оксид железа кристаллизуется в почве, в конечном итоге становится проводящим и облегчает TIE-1 окисление других минералов.
Затем TIE-1 преобразует эти электроны в энергию, используя углекислый газ в качестве рецептора электронов. Ген, который производит ruBisCo, помогает этому штамму R. palustris достигать генерации энергии с помощью электронов. TIE-1 использует ruBisCo для преобразования углекислого газа в питание для себя. Этот метаболизм имеет фототрофные аспекты, поскольку ген и способность поглощать электроны стимулируются солнечным светом. Поэтому R. palustris TIE-1 заряжает себя, используя минералы, находящиеся глубоко в почве, при этом используя свет, оставаясь на поверхности. Способность TIE-1 использовать электричество может быть использована для производства батарей, но ее эффективность в качестве источника топлива остается под вопросом, но она имеет возможные применения в фармацевтической промышленности.