Informace

Může být dusičnan elektronovým akceptorem NADH generovaného v cyklu kyseliny citronové?


Je cyklus kyseliny citrónové aerobní nebo anaerobní? Vím, že kyslík je potřebný k přijetí elektronů NADH, aby bylo možné regenerovat NAD+. Nicméně, pokud jiné akceptory elektronů, jako dusičnany (NO3-), jsou přítomny, mohly by být také použity k regeneraci NAD+? Ptám se na to, protože jsem četl tezi, která tvrdí, že „acetly-CoA vstupuje do cyklu kyseliny citronové a prostřednictvím anaerobní respirace dusičnanem se generuje několikanásobné množství ATP“. Pokud máte nějakou literaturu, o kterou se se mnou můžete podělit, byl bych vám opravdu vděčný. Dík.


Ano, mnoho mikrobů může používat akceptory elektronů jiné než kyslík.

https://en.wikipedia.org/wiki/Anaerobic_respiration

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168165611000289


Mikrobiální palivové články jako platformní technologie pro udržitelné čištění odpadních vod

18.5.2 Elektronové akceptory

Akceptor elektronů přispívá k překonání potenciálních ztrát existujících na katodě, takže je jedním z hlavních faktorů ovlivňujících generování energie v MFC. Podmínky dobrého elektronického akceptoru zahrnují vlastnění vysokého redoxního potenciálu, prezentaci rychlé kinetiky, ekonomickou hodnotu a výhodnou udržitelnost a snadnou dostupnost [42]. Kyslík je jedním z nejslibnějších akceptorů elektronů v MFC [43]. Díky rychlému pokroku technologie MFC a lepšímu pochopení jejího principu však existuje široké povědomí o tom, že katodový proces je mnohem více než jen reakce redukce kyslíku (ORR). Různé alternativní akceptory elektronů, jako je dusičnan (NO3 -), kovové ionty, chloristan, nitrobenzen a azobarviva byly intenzivně zkoumány, aby se dosáhlo bioremediace v MFC [44].

Aby se zvýšila kinetika redukce kyslíku a snížil se nadměrný potenciál katodické aktivace, byly v katodě použity různé druhy katalyzátorů [45]. Platina nabízí nejvyšší katalytický výkon se zvýšenou afinitou ke kyslíku a sníženými ztrátami aktivace a je nejčastěji používaným katalyzátorem pro ORR [42]. Logan a kol. prokázali, že MFC na bázi Pt by mohly dosáhnout pětinásobného zvýšení výkonu ve srovnání s MFC s obyčejnou uhlíkovou katodou [46]. Další katalyzátory, které jsou levnější a udržitelnější, jako je oxid olovnatý [47], Fe/Fe2Ó3 [48], kobalt [49], oxid manganičitý [42] nebo dokonce aktivní uhlí [50] byly také zkoumány na reakce redukce kyslíku na katodě MFC. Některé studie také ukázaly možnost využití kovových oxidantů (např. U, Cd, Cr, Cu), které lze redukovat na méně toxický oxidační stav. ORR zůstává jedním z hlavních překážek této technologie díky vysokému potenciálu a nízké kinetice, se kterými se setkáváme [41].

Biokatody představují inovativní přístup k výrobě udržitelných katod pomocí mikrobů jako katalyzátorů, které usnadňují elektrochemickou redukci na povrchu katody. Biokatody eliminují potřebu drahých chemických katalyzátorů, nižší konstrukci a provozní náklady a nabízejí flexibilitu při výrobě cenných komodit [51]. Biokatoda vyžaduje optimální fyziologické podmínky, které podporují mikrobiální růst na povrchu katody. Na rozdíl od bakterií dýchajících anodu v anodě by mikroby v biokatodě měly mít schopnost přijímat elektrony z povrchu katody (tj. Elektrotrofické). Růstu biofilmů na katodě lze dosáhnout speciálními technikami, jako je elektrická inverze elektrod. Několik vědeckých studií potvrdilo, že katodu nabitou biofilmem lze kondicionovat v oxickém prostředí a poté přepnout na anodu generující proud. To naznačuje, že jak exoelektrogenní, tak elektrotrofní mikroorganismy mohou být udržovány v biofilmech elektrod, když je katoda přepnuta z oxických na anoxické podmínky. Byly použity různé přístupy ke zlepšení kinetiky na povrchu katody použitím mediátorů, jako je ferokyanid nebo silná oxidační činidla, jako je manganistan, katalytické elektrody s platinovým katalyzátorem, bakterie katalyzující oxidaci přechodných kovů a bakterie katalyzující redukci konečného oxidačního činidla (tj. akceptor elektronů prostřednictvím přímých nebo nepřímých mechanismů přenosu elektronů včetně metabolických produktů).


Abstraktní

Anorganické anionty dusičnanů (NO3 -) a dusitanů (NO2 -) byly dříve považovány za inertní konečné produkty metabolismu endogenního oxidu dusnatého (NO). Nedávné studie však ukazují, že tyto údajně inertní anionty lze recyklovat in vivo za vzniku NO, což představuje důležitý alternativní zdroj NO ke klasické dráze l -arginin – NO -syntázy, zejména v hypoxických stavech. Tento přehled pojednává o vznikajících důležitých biologických funkcích dráhy dusičnan -dusitan -NO a zdůrazňuje studie, které implikují terapeutický potenciál dusičnanů a dusitanů v podmínkách, jako je infarkt myokardu, mrtvice, systémová a plicní hypertenze a žaludeční ulcerace.


Závěr

V této studii jsme prokázali, že kmen DHT3 převádí estrogeny na androgeny prostřednictvím methylace zprostředkované kobalaminem a následně katabolizuje androgenní meziprodukty na HIP prostřednictvím zavedených 2,3-seco cesta. Objev dokončuje centrální cesty pro katabolismus bakteriálních steroidů (obr. 1). Stručně řečeno, anaerobní bakterie využívají konvergentní katabolickou cestu (2,3-seco dráha) ke katabolismu sterolů, androgenů a estrogenů, zatímco aerobní bakterie přijímají odlišné cesty ke katabolizaci 1) steroly a androgeny (9,10-seco dráha) a 2) estrogeny (4,5-seco cesta). Nicméně všechny 3 steroidní katabolické cesty nakonec konvergují v HIP (obr. 1) a HIP katabolické geny jsou konzervovány v genomech všech charakterizovaných bakterií využívajících steroidy (Příloha SI, Obr. S11) (11, 60).

Cobamidy, jako je kobalamin, jsou rodinou biomolekul tetrapyrrolu obsahujících kobalt se základními biochemickými funkcemi ve všech 3 oblastech života, které slouží jako prostetická skupina pro různé methyltransferázy, izomerázy a reduktivní dehalogenázy (61). Před touto studií zahrnovaly známé akceptory methyltransferáz závislé na kobalaminu u většiny organismů tetrahydrofolát a homocystein (43, 48, 62) a také CoM a tetrahydromethanopterin v methanogenní archea (38, 53). Zde jsme demonstrovali, že estrogeny jsou terminálními akceptory methyltransferázy závislé na kobalaminu v denitrifikujících proteobakteriích, což odhalilo neočekávanou roli kobalaminu v metabolismu steroidů. Vzhledem k tomu, že pohlavní steroidy se podílejí na obousměrných metabolických interakcích mezi bakteriemi a jejich eukaryotickými hostiteli, nalezení retrokonverze estrogenů na androgeny v bakteriích předznamenává neprozkoumanou metabolickou vzájemnou závislost mikrobů a hostitelů prostřednictvím této emtem zprostředkované reakce methylace estrogenu. Proto emtABCD genový klastr může sloužit jako biomarker k objasnění výskytu retrokonverze estrogenů v eukaryotické mikrobiotě.


Reference

Biel S, Simon J, Gross R, Ruiz T, Ruitenberg M, Kröger A (2002) Rekonstituce spřaženého fumarátového dýchání v lipozomech začleněním enzymů transportních elektronů izolovaných z Wolinella succinogenes. Eur J Biochem 269: 1974–1983

Boyer A, Page-Belanger R, Saucier M, Villemur R, Lépine F, Juteau P, Beaudet R (2003) Purifikace, klonování a sekvenování enzymu zprostředkujícího reduktivní dechloraci 2,4,6-trichlorfenolu z Desulfitobacterium frappieri PCP-1. Biochem J 373: 297–303

Carrillo N, Ceccarelli EA (2003) Otevřené otázky v katalytickém mechanismu ferredoxin-NADP + reduktázy. Eur J Biochem 270: 1900–1915

Chabrière E, Vernède X, Guigliarelli B, Charon MH, Hatchikian EC, Fontecilla-Camps JC (2001) Krystalová struktura meziproduktu volných radikálů pyruvátu: ferredoxin oxidoreduktázy. Science 294: 2559–2563

Engelmann T, Kaufmann F, Diekert G (2001) Izolace a charakterizace veratrolu: corrinoid protein methyl transferase from Acetobacterium dehalogenans. Arch Microbiol 175: 376–383

Furukawa K, Suyama A, Tsuboi Y, Futagami T, Goto M (2005) Biochemická a molekulární charakterizace dechlorace tetrachlorethenu Desulfitobacterium sp. kmen Y51: recenze. J Ind Microbiol Biotechnol 32: 534–541

Futagami T, Tsuboi Y, Suyama A, Goto M, Furukawa K (2006) Vznik dvou typů nondechlorinačních variant v tetrachloreten-halorespirujícím Desulfitobacterium sp. kmen Y51. Appl Microbiol Biotechnol 70: 720–728

Futagami T, Yamaguchi T, Nakayama S, Goto M, Furukawa K (2006) Účinky chlormethanů na růst a deleci pce shluk genů v dehalorespirování Desulfitobacterium hafniense kmen Y51. Appl Environ Microbiol 72: 5998–6003

Gerritse J, Drzyzga O, Kloetstra G, Keijmel M, Wiersum LP, Hutson R, Collins MD, Gottschal JC (1999) Vliv různých donorů a akceptorů elektronů na dehalorespiraci tetrachlorethenu Desulfitobacterium frappieri TCE1. Appl Environ Microbiol 65: 5212–5221

Hasona A, Kim Y, Healy FG, Ingram LO, Shanmugam KT (2004) Pyruvát formiát lyáza a acetát kináza jsou nezbytné pro anaerobní růst Escherichia coli na xylóze. J Bacteriol 186: 7593–7600

Hrdy I, Muller M (1995) Primární struktura a eubakteriální vztahy pyruvátu: ferredoxin oxidoreduktáza eukaryota amitochondriatu Trichomonas vaginalis. J Mol Evol 41: 388–396

Kaufmann F, Wohlfarth G, Diekert G (1998) Ó-demethyláza z Acetobacterium dehalogenans—Klonování, sekvenování a aktivní exprese genu kódujícího corrinoidový protein. Eur J Biochem 257: 515–521

Lemos RS, Gomes CM, Legall J, Xavier AV, Teixeira M (2002) Chinol: fumarát oxidoreduktáza z bakterie redukující síran Desulfovibrio gigas: spektroskopické a redoxní studie. J Bioenerg Biomembr 34: 21–30

Loffler FE, Tiedje JM, Sanford RA (1999) Frakce elektronů spotřebovaných při redukci akceptoru elektronů a prahových hodnotách vodíku jako indikátorů fyziologie halorespirace. Appl Environ Microbiol 65: 4049–4056

Lomans BP, Leijdekkers P, Wesselink JJ, Bakkes P, Pol A, Van Der Drift C, Den Camp HJ (2001) Povinná degradace methoxylovaných aromatických sloučenin závislá na sulfidu a tvorba methanthiolu a dimethylsulfidu izolátem sladkovodního sedimentu, Parasporobacterium paucivorans gen. nov., sp. listopad. Appl Environ Microbiol 67: 4017–4023

Mackiewicz M, Wiegel J (1998) Porovnání výnosů energie a růstu pro Desulfitobacterium dehalogenans při využití chlorofenolu a různých tradičních akceptorů elektronů. Appl Environ Microbiol 64: 352–355

Magnuson JK, Romine MF, Burris DR, Kingsley MT (2000) Trichloroethene reductive dehalogenase from Dehalococcoides ethenogenes: sekvence tceA a charakterizace rozsahu substrátu. Appl Environ Microbiol 66: 5141–5147

Maillard J, Schumacher W, Vazquez F, Regeard C, Hagen WR, Holliger C (2003) Charakterizace corrinoid železo-síry protein tetrachloroethene reductive dehalogenase of Dehalobacter restrictus. Appl Environ Microbiol 69: 4628–4638

Major DW, Mcmaster ML, Cox EE, Edwards EA, Dworatzek SM, Hendrickson ER, Starr MG, Payne JA, Buonamici LW (2002) Polní ukázka úspěšné bioaugmentace k dosažení dechlorace tetrachloretenu na ethen. Environ Sci Technol 36: 5106–5116

Maymo-Gatell X, Chien Y, Gossett JM, Zinder SH (1997) Izolace bakterie, která reduktivně dechloruje tetrachloreten na eten. Science 276: 1568–1571

Mohn WW, Tiedje JM (1990) Disproporcionace katabolického thiosíranu a redukce oxidu uhličitého v kmeni DCB-1, reduktivně dechlorující anaerob. J Bacteriol 172: 2065–2070

Morita Y, Futagami T, Goto M, Furukawa K (2009) Funkční charakterizace spouštěcího faktoru proteinu PceT dechlorinace tetrachloretenem Desulfitobacterium hafniense Y51. Appl Microbiol Biotechnol 83: 775–781

Morris RM, Sowell S, Barofsky D, Zinder S, Richardson R (2006) Transkripční a hmotnostně spektroskopické proteomické studie oxidoreduktáz transportu elektronů v Dehalococcoides ethenogenes. Environ Microbiol 8: 1499–1509

Morris RM, Fung JM, Rahm BG, Zhang S, Freedman DL, Zinder SH, Richardson RE (2007) Srovnávací proteomika Dehalococcoides spp. odhaluje kmenově specifické peptidy spojené s aktivitou. Appl Environ Microbiol 73: 320–326

Neumann A, Wohlfarth G, Diekert G (1998) Tetrachloroethene dehalogenase from Dehalospirillum multivorans: klonování, sekvenování kódujících genů a exprese pceA gen v Escherichia coli. J Bacteriol 180: 4140–4145

Neumann A, Engelmann T, Schmitz R, Greiser Y, Orthaus A, Diekert G (2004) Fenylmethylethery: noví donoři elektronů pro respirační růst Desulfitobacterium hafniense a Desulfitobacterium sp. kmen PCE-S. Arch Microbiol 181: 245–249

Nijenhuis I, Zinder SH (2005) Charakterizace aktivit hydrogenázy a reduktivní dehalogenázy Dehalococcoides ethenogenes kmen 195. Appl Environ Microbiol 71: 1664–1667

Nonaka H, ​​Keresztes G, Shinoda Y, Ikenaga Y, Abe M, Naito K, Inatomi K, Furukawa K, Inui M, Yukawa H (2006) Kompletní sekvence genomu dehalorespirující bakterie Desulfitobacterium hafniense Y51 a srovnání s Dehalococcoides ethenogenes 195. J Bacteriol 188: 2262–2274

Pieulle L, Charon MH, Bianco P, Bonicel J, Petillot Y, Hatchikian EC (1999) Strukturální a kinetické studie komplexu pyruvát-ferredoxin oxidoreduktasa/ferredoxin z Desulfovibrio africanus. Eur J Biochem 264: 500–508

Pieulle L, Nouailler M, Morelli X, Cavazza C, Gallice P, Blanchet S, Bianco P, Guerlesquin F, Hatchikian EC (2004) Více orientací ve fyziologickém komplexu: systém pyruvát-ferredoxin oxidoreduktasa-ferredoxin. Biochemistry 43: 15480–15493

Pollock JS, Forstermann U, Mitchell JA, Warner TD, Schmidt HH, Nakane M, Murad F (1991) Purifikace a charakterizace částicové syntézy relaxačního faktoru odvozeného od endotelu z kultivovaných a nativních endoteliálních buněk bovinní aorty. Proč Natl Acad Sci U S A 88: 10480–10484

Prat L, Maillard J, Grimaud R, Holliger C (2011) Psychologické přizpůsobení Desulfitobacterium hafniense kmen TCE1 na dýchání tetrachlorethenem. Appl Environ Microbiol 77: 3853–3859

Ragsdale SW (2004) Život s oxidem uhelnatým. Crit Rev Biochem Mol Biol 39: 165–195

Rahm BG, Morris RM, Richardson RE (2006) Dočasná exprese respiračních genů v obohacující kultuře obsahující Dehalococcoides ethenogenes. Appl Environ Microbiol 72: 5486–5491

Schumacher W, Holliger C (1996) Poměr proton/elektron transportu elektronů závislého na menachinonu z dihydrogenu na tetrachlorethen v Dehalobacter restrictus. J Bacteriol 178: 2328–2333

Seshadri R, Adrian L, Fouts DE, Eisen JA, Phillippy AM, Methe BA, Ward NL, Nelson WC, Deboy RT, Khouri HM, Kolonay JF, Dodson RJ, Daugherty SC, Brinkac LM, Sullivan SA, Madupu R, Nelson KE , Kang KH, Impraim M, Tran K, Robinson JM, Forberger HA, Fraser CM, Zinder SH, Heidelberg JF (2005) Sekvence genomu bakterie dechlorinující PCE Dehalococcoides ethenogenes. Věda 307: 105–108

Smidt H, Song D, Van Der Oost J, De Vos WM (1999) Random transposition by Tn916 v Desulfitobacterium dehalogenans umožňuje izolaci a charakterizaci mutantů s nedostatkem halorespirace. J Bacteriol 181: 6882–6888

Smidt H, De Vos WM (2004) Anaerobní mikrobiální dehalogenace. Annu Rev Microbiol 58: 43–73

Stevens TO, Tiedje JM (1988) Fixace oxidu uhličitého a mixotrofní metabolismus kmenem DCB-1, dehalogenační anaerobní bakterií. Appl Environ Microbiol 54: 2944–2948

Suyama A, Iwakiri R, Kai K, Tokunaga T, Sera N, Furukawa K (2001) Izolace a charakterizace Desulfitobacterium sp. kmen Y51 schopný účinné dehalogenace tetrachlorethenu a polychlorethanů. Biosci Biotechnol Biochem 65: 1474–1481

Suyama A, Yamashita M, Yoshino S, Furukawa K (2002) Molekulární charakterizace redukční dehalogenázy PceA Desulfitobacterium sp. kmen Y51. J Bacteriol 184: 3419–3425

Trieber CA, Rothery RA, Weiner JH (1994) Několik cest přenosu elektronů v dimethylsulfoxid reduktáze Escherichia coli. J Biol Chem 269: 7103–7109

Utkin I, Woese C, Wiegel J (1994) Isolation and characterization of Desulfitobacterium dehalogenans gen. nov., sp. nov., anaerobní bakterie, která reduktivně dechloruje chlorofenolové sloučeniny. Int J Syst Bacteriol 44: 612–619

Vignais PM, Toussaint B (1994) Molekulární biologie membránově vázaného H2 vychytávat hydrogenázy. Arch Microbiol 161: 1–10

Zinder SH, Brock TD (1978) Dimethylsulfoxid jako akceptor elektronů pro anaerobní růst. Arch Microbiol 116: 35–40


Poděkování

Děkujeme Z. Keresztes, V. Muntean, T. Szőke-Nagy, M. Alexe, A. Cristea a A. Baricz za jejich technickou podporu při odběru vzorků a přípravě vzorků a E. A. Levei a M. Șenilă za příspěvky k chemickým analýzám. P.-A.B byl podpořen výzkumným grantem PN-III-P4-ID-PCE-2016-0303 (Rumunský národní úřad pro vědecký výzkum). H.L.B. byl podpořen výzkumnými granty PN-III-P4-ID-PCE-2016-0303 (rumunský národní úřad pro vědecký výzkum) a STAR-UBB Advanced Fellowship-Intern (Babeș-Bolyai University). JAKO. byl podpořen výzkumnými granty: 17-04828 S (Grant Agency of the Czech Republic) and MSM200961801 (Academy of Sciences of the Czech Republic). M.M. byl podpořen Postdoktorandským programem PPPLZ L200961651 (Akademie věd České republiky). R.G. byl podpořen výzkumným grantem 17-04828 S (Grantová agentura České republiky).


Diskuse

Primárním cílem této studie bylo prozkoumat odpověď ε-proteobakterie S. gotlandica GD1 T směrem ke změnám DIC a pH. Toho lze dosáhnout hodnocením dopadu změn koncentrace DIC a pH na růst a maximální počet buněk S. gotlandica GD1 T v experimentech růstu dávkové kultury.

Sirovodík je hlavním substrátem v anoxických vodách a S. gotlandica Zdá se, že GD1 T je primárně zodpovědný za oxidaci sirovodíku v Baltském moři (Grote et al. 2012). Na rozhraní oxic -anoxic a v horní sulfidické zóně jsou však koncentrace thiosulfátu v podobném rozmezí jako koncentrace sirovodíku (Bruckner et al. 2013) a thiosulfát slouží jako alternativní substrát pro S. gotlandica GD1 T. V experimentech jsme použili thiosulfát jako donora elektronů, protože koncentrace substrátu lze mnohem lépe kontrolovat ve srovnání se sirovodíkem. Ačkoli se zdálo, že thiosulfát byl na konci experimentu zcela spotřebován (viz obr. 3), dřívější experimenty s tímto kmenem nevedly k vyššímu počtu buněk s vyššími koncentracemi thiosulfátu (Bruckner et al. 2013 Labrenz et al. 2013). Proto je třeba zvážit další potenciálně omezující faktory související s koncentrací buněk, jako je akumulace inhibičních metabolických produktů.

Odhad nasycení DIC pro růst

Růst stimulující účinky zvyšujících se koncentrací DIC pro fytoplankton jsou dobře zdokumentovány (např. Iglesias-Rodriguez et al. 2008), zatímco s chemolithoautotropními bakteriemi bylo provedeno jen několik studií. Podle současných koncentrací DIC přibližně 2 mmol L −1 a 3,5 mmol L −1 (Frey et al. 1991 Beldowski et al. 2010) v redoxních zónách Baltského a Černého moře naše výsledky ukazují, že tyto koncentrace DIC jsou dobře v rozsahu podporujícím maximální růst S. gotlandica GD1 T a související epsilonproteobakterie. Výsledky naznačují, že další zvýšení koncentrace DIC v redoxních zónách by nemělo mít žádný další přímý účinek na tyto bakterie.

Vyšší koncentrace DIC v oceánu způsobuje posun speciace DIC směrem k oxidu uhličitému, což má za následek snížení pH, tj. Při pH 7,1 90% speciace DIC je hydrogenuhličitan, zatímco při pH 6,3 se rovnováha přesouvá na 50% vodíku uhličitan a 50% kysličník uhličitý (Deffeyes 1965). Tento posun ve speciaci by však neměl mít vliv na růst S. gotlandica GD1 T jako koncentrace DIC 800 μmol L −1 již byl dostatečný k podpoře maximálního počtu buněk (obr. 1). Srovnatelné křivky nasycení pro zvýšení koncentrací DIC byly stanoveny pro jiné druhy bakterií a fytoplanktonu. Clark a Flynn (2000) popsali vztah mezi růstem specifickým pro uhlík a koncentrací DIC několika mořských fytoplanktonů. Většina těchto druhů dosáhla saturace mezi 500 a 1 000 μmol L −1 DIC. Dále Dobrinski a kol. (2005) ukázal, že pro chemolithoautotrophic γ-proteobakterie Thiomicrospira crunogena, izolovaná z hydrotermálního průduchu, koncentrace DIC s poloviční saturací byla 220 μmol L −1 a nasycení bylo dosaženo při 1000 μmol L −1 DIC, který je ve stejném rozsahu jako hodnoty určené pro S. gotlandica GD1 T. Naproti tomu Scott a Cavanaugh (2007) ukázali, že chemoautotrofní Solemya velum symbionti dosahují nasycení při CO2 koncentrace 100 μmol L −1. Tato saturace je však také v rozmezí CO2 koncentrace v prostředí, kde S. velum byl sbírán. Navíc mohli dokázat, že se tito symbionti spoléhají na CO2 a ne na bikarbonátu.

Genomická data tomu nasvědčují S. gotlandica GD1 T je schopen používat oba CO2 a bikarbonát převedením intracelulárního bikarbonátu na CO2 s karboanhydrázou (Grote et al. 2012). Kromě toho Dobrinski a kol. (2005) mohli dokázat, že chemolitoautotrofní γ-proteobakterie Thiomicrospira crunogena má schopnost využívat jak externí CO2 a bikarbonát. Zdá se tedy pravděpodobné, že S. gotlandica GD1 T má také schopnost používat externí CO2 a hydrogenuhličitan jako zdroj anorganického uhlíku.

Účinky různých hodnot pH na chemolithoautotrofní růst

Rozsah pH, ​​ve kterém S. gotlandica GD1 T rostl dobře (pH 6,6–8,0) byl relativně úzký ve srovnání s jinými chemolithoautotrofními proteobakteriemi. Například několik γ-proteobakteriální Thiomicrospira druhy z hydrotermálních průduchů rostly v širokém rozmezí pH 5,3–8,5 nebo 4,0–7,5 (Brinkhoff et al. 1999). Také pro jiné chemoautrofické ε-proteobakterie bylo zjištěno relativně široké tolerovatelné rozmezí pH, například pro Sulphurimonas paralvinellae a Sulfurimonas autotrophica, rozmezí pH bylo 5,4–8,6 (optimální 6,1), respektive 5,0–9,0 (optimální 6,5) (Inagaki et al. 2003 Takai et al. 2006). Sulfurimonas denitrificans, nejbližší kultivovaný příbuzný S. gotlandica GD1 T (Grote et al. 2012), má pH optimum 7,0 (Timmer-ten Hoor 1975). Většina z těchto zkoumaných bakterií s rozšířenějším rozsahem pH ve srovnání s S. gotlandica GD1 existují na stanovištích, jako jsou hydrotermální průduchy, kde jsou změny pH časté a rychlé. Rozšířený rozsah pH tedy naznačuje, že jde o přizpůsobení extrémně proměnlivým podmínkám, zatímco S. gotlandicstr. GD1 byl izolován z relativně stabilního stanoviště. Scott a Cavanaugh (2007) tento závěr potvrzují svými studiemi o chemoautotrofii γ-proteobakterie, žijící jako endosymbionti v sulfidických/oxických rozhraních. Tyto Solemya velum symbionti mají také relativně úzký rozsah optima pH (mezi pH 7,4 a 8,5), vykazující stejný prudký pokles růstu přímo pod a nad těmito úrovněmi.

Využití substrátu se mezi pH významně nelišilos 7.1 a 6.6. Ovšem při pHs pod 6,6 se situace drasticky změnila a růst S. gotlandica GD1 byl zjevně narušen a spotřeba dusičnanů a thiosíranu byla výrazně snížena. Proto je důležitá funkční role S. gotlandica Pravděpodobně bude ovlivněn GD1 T v cyklech dusíku a síry redoxklinů.

Zatímco intracelulární pH nebylo v této studii měřeno, předpokládá se, že intracelulární pH se mění přibližně o 0,1 jednotky na jednotku změny vnějšího pH (Hackstadt 1983). Podle Bootha (1985) změny pH mimo optimální pH vedou k inhibici aktivity enzymu i růstu buněk (Booth 1985). Přesný mechanismus intracelulární regulace pH však dosud není zcela objasněn. Dřívější studie ukázaly, že regulace je energeticky závislá a vyžaduje vysokou dechovou frekvenci (Booth 1985). Proto je vysoké využití substrátu na bakterii při pHs 6,55 by mohlo být alespoň částečně vysvětleno regulací intracelulárního pH mimo optimální pH.

Protože využití substrátu v experimentech s dávkovou kulturou bylo významně vyšší než v podmínkách prostředí, výsledky spíše odrážejí únosnost S. gotlandica GD1 T za daných podmínek. Budoucí studie by se měly zaměřit na přesnější simulaci podmínek in situ (např. S ​​chemostatickými kulturami). Kvůli globálnímu oteplování a vyššímu CO2 koncentrace v atmosféře se předpovídá zvýšení koncentrace DIC a snížení pH o přibližně 0,3 jednotky v oceánu, známé jako okyselování oceánů (Houghton et al. 2001). Naše výsledky naznačují, že přímý dopad okyselení na S. gotlandica GD1 T a příbuzné organismy by neměly být příliš silné, protože optimální rozmezí pH pro tento modelový organismus je stále v rozsahu předpokládaných změn pH. Na druhou stranu nepřímé efekty na S. gotlandica GD1 T může být důležitější než přímé. Existují například důkazy, že nitrifikace, proces, který dodává dusičnany pro denitrifikační bakterie, je negativně ovlivněna poklesem pH a zvýšením pCO2 (Huesemann et al. 2002 Denecke a Liebig 2003 Hutchins et al. 2009).


VÝSLEDEK

Zvýšený plicní průtok krve u bočníkových jehňat.

Všechny bočníkové jehňata měly hmatatelné vzrušení a zvýšení saturace kyslíkem mezi pravou komorou a plicní tepnou, což dokazuje průchodnost štěpu. Ve skutečnosti byl poměr toku krve mezi plicemi a systémem u bočníkových jehňat 2,9 ± 0,9. Ve srovnání s 2týdenními kontrolními jehňaty měly 2týdenní bočníky zvýšený průměrný plicní arteriální tlak (21,7 ± 3,2 vs. 15,3 ± 2,3 mmHg), průtok levé plicnice (147,3 ± 23,4 vs. 55,1 ± 13,2), a tlak v levé síni (6,8 ± 3,7 vs. 2,7 ± 1,6 mmHg) (P <0,05). Tlak pravé síně, srdeční frekvence a průměrné hodnoty systémového arteriálního tlaku byly mezi skupinami podobné.

Snížená exprese enzymů zapojených do homeostázy karnitinu v bočnících jehňat.

Zpočátku jsme měřili expresi tří důležitých mitochondriálních enzymů zapojených do metabolismu karnitinu: CPT1-B, CPT2 (podílí se na transportu mastných kyselin s dlouhým řetězcem z cytosolu do mitochondriální matrice) a CrAT (transesterifikuje acylové řetězce s krátkým řetězcem) u 2týdenních bočních a věkově odpovídajících kontrolních jehňat. Došlo k významnému snížení exprese obou CPT1-B (obr. A a B) a enzymy CPT2 (obr. C a D) v bocích ve srovnání s kontrolními jehňaty odpovídajícími věku. Podobně oba výrazy CrAT (obr. A a B) a aktivita (kontrola: 152,9 ± 46,1 jednotek/mg vs. zkrat: 7,43 ± 3,33 jednotek/mg, P <0,05 vs. kontrola ObrC) byly významně sníženy při zkratu ve srovnání s kontrolními jehňaty odpovídajícími věku.

Obr. 1.Exprese karnitin palmitoyltransferázy (CPT) v periferní plicní tkáni od kontrolních a bočníkových jehňat ve věku 2 týdny. A: proteinové extrakty (50 μg) připravené z periferních plic shuntových a kontrolních jehňat byly analyzovány analýzou Western blot za použití specifického antiséra vytvořeného proti proteinu CPT1-B. Exprese CPT1-B byla také normalizována pro zavedení pomocí p-aktinu. Je ukázán reprezentativní blot. B: došlo k významnému poklesu normalizovaných denzitometrických hodnot pro protein CPT1-B v periferní plicní tkáni připravené z bočníku ve srovnání s kontrolními jehňaty. Hodnoty jsou střední hodnoty ± SE n = 6 kontrolních a 6 bočníkových jehňat. *P <0,05 vs. kontrola. C: proteinové extrakty (50 μg) připravené z periferních plic shuntových nebo kontrolních jehňat byly analyzovány analýzou Western blot za použití specifického antiséra připraveného proti CPT2 proteinu. Exprese CPT2 byla také normalizována pro načítání pomocí p-aktinu. Je ukázán reprezentativní blot. D: došlo k významnému poklesu normalizovaných denzitometrických hodnot pro protein CPT2 v periferní plicní tkáni připravené z bočníku ve srovnání s kontrolními jehňaty. Hodnoty jsou střední hodnoty ± SE n = 6 kontrolních a 6 bočníkových jehňat. *P <0,05 vs. kontrola.


Obr.Exprese a aktivita karnitin acetyltransferázy (CrAT) v periferní plicní tkáni od kontrolních a bočníkových jehňat ve věku 2 týdny. A: proteinové extrakty (50 μg) připravené z periferních plic shuntových a kontrolních jehňat byly analyzovány analýzou Western blot za použití specifického antiséra vytvořeného proti proteinu CrAT. Exprese CrAT byla také normalizována pro načítání pomocí p-aktinu. Je ukázán reprezentativní blot. B: došlo k významnému poklesu normalizovaných denzitometrických hodnot pro protein CrAT v periferní plicní tkáni připravené z bočníku ve srovnání s kontrolními jehňaty. Hodnoty jsou střední hodnoty ± SE n = 6 kontrolních a 6 bočníkových jehňat. *P <0,05 vs. kontrola. C: Aktivita CrAT byla stanovena v proteinových extraktech (40 μg) připravených z periferní plicní tkáně z kontrolních a bočníkových jehňat. Ve srovnání s kontrolními jehňaty došlo k významnému snížení aktivity CrAT v periferní plicní tkáni připravené z bočníku. Hodnoty jsou vyjádřeny jako jednotky aktivity na μg proteinu a jsou průměrem ± SE n = 4 kontrolní a 4 bočníkové jehňata. *P <0,05 vs. kontrola.

Zvýšená nitrace snižuje aktivitu CrAT u bočníkových jehňat.

Ačkoli naše data naznačila, že exprese CrAT byla snížena asi 2krát, aktivita CrAT byla snížena asi 20krát. To naznačuje, že posttranslační modifikace mění aktivitu CrAT. Jelikož jsme dříve zjistili, že u bočníkových jehňat dochází ke zvýšení oxidačního stresu, zaměřili jsme se na potenciální roli nitrace enzymů. Úrovně nitrovaného CrAT byly stanoveny pomocí imunoprecipitace se specifickým antisérem vytvořeným proti zbytkům 3-nitrotyrosinu a bylo zjištěno, že jsou významně zvýšeny při zkratu ve srovnání s kontrolními jehňaty odpovídajícími věku (obr. Aa B). Dále jsme zjistili, že vystavení purifikovaného CrAT peroxynitritu (10 μM, 5 min) bylo dostatečné k významnému snížení aktivity CrAT (vehikulum: 99,9 ± 17,74 jednotek/μg vs. peroxynitrit: 0,6481 ± 0,24 jednotek/μg, P <0,05 vs. vozidlo obr. 4).

Obr.Zvýšená nitrace CrAT v periferní plicní tkáni bočníkových jehňat ve věku 2 týdnů. A: proteinové extrakty (1 000 μg) připravené z periferních plic shuntových a kontrolních jehňat byly podrobeny imunoprecipitaci (IP) za použití protilátky specifické pro 3-nitrotyrosin (3-NT) a poté analyzovány analýzou Western blot za použití specifického antiséra připraveného proti CrAT protein. Je ukázán reprezentativní imunoblot (IB) s expresí CrAT. Minimální vazba byla pozorována v samotných kuličkách nebo v preclearu IgG. B: došlo k významnému zvýšení nitrovaného proteinu CrAT v periferní plicní tkáni připravené z bočníku ve srovnání s kontrolními jehňaty. Hodnoty jsou střední hodnoty ± SE n = 6 kontrolních a 6 bočníkových jehňat. *P & lt 0,05 vs. kontrola.


Obr.Peroxynitrit snižuje aktivitu CrAT. Purifikovaný holubí prsní sval CrAT byl vystaven autentickému peroxynitritu nebo vehikulu a poté byla stanovena aktivita. Peroxynitrit vyvolal významný pokles aktivity CrAT. Hodnoty jsou průměr ± SD n = 6. *P <0,05 vs. vozidlo.

Snížená aktivita CrAT vede ke změnám v metabolismu karnitinu.

CrAT plays an important role in maintaining carnitine metabolism (10). Therefore, we next determined total carnitine and free carnitine levels in the peripheral lung of shunt and control lambs. Using HPLC analysis, we found that total carnitine levels were unchanged in shunt lambs (60.54 ± 8.45 vs. 72.37 ± 10.14 nmol/g wet wt Table 1). However, free carnitine levels were decreased (34.86 ± 3.35 vs. 67.57 ± 13.43 nmol/g wet wt, P < 0.05 vs. control Table 1). Furthermore, l -carnitine levels were significantly lower in shunt compared with age-matched control lambs (20.21 ± 4.29 vs. 56.41 ± 12.27 nmol/g wet wt, P < 0.05 vs. control Table 1). Since free carnitines and other acylcarnitines contribute to total carnitine levels, these data indicate that the percentage of carnitine present as acylcarnitine (calculated as total carnitine minus free carnitine) is significantly higher in shunt lambs (40.71 ± 9 vs. 6.2 ± 4.7%, P < 0.05 vs. control Table 1).

Stůl 1. Carnitine levels in peripheral lungs of shunt and control lambs

Data are means ± SE n = 5.

Altered carnitine metabolism is associated with mitochondrial dysfunction in shunt lambs.

Since the carnitine acyltransferase pathway has been shown to be of critical importance for maintaining normal mitochondrial function, we next determined whether shunt lambs present with markers of mitochondrial dysfunction. Because loss of SOD2 (8, 13, 18, 26, 35, 44, 48) and increases in UCP-2 (2, 27, 42, 46, 62) have been shown to be markers of mitochondrial dysfunction in other systems, we examined these markers. Our data indicate that SOD2 expression was significantly decreased (Fig. 5, A a B) in shunt lambs, whereas UCP-2 expression was significantly increased (Fig. 5, C a D). In addition, we determined the lung levels of lactate and pyruvate in shunt and control lambs to quantify mitochondrial activity. Under normal mitochondrial function, pyruvate levels are higher than lactate, and thus any increases in lactate levels decreases the pyruvate-to-lactate ratio and can be extrapolated to suggest a reduction in ATP generation by the mitochondria (57). As shown in Table 2, shunt lambs had significantly decreased pyruvate levels (0.059 ± 0.007 vs. 0.132 ± 0.028 μmol/g wet wt, P < 0.05) and increased lactate levels (0.568 ± 0.838 vs. 1.348 ± 0.214 μmol/g wet wt, P < 0.05) as well as a significant reduction in the pyruvate-to-lactate ratio.

Fig. 5.Markers of mitochondrial dysfunction are increased in shunt lambs at 2 wk of age. A: protein extracts (25 μg) prepared from peripheral lung of shunt and control lambs were analyzed by Western blot analysis using a specific antiserum raised against SOD2 protein. SOD2 expression was also normalized for loading using β-actin. A representative blot is shown. B: there was a significant decrease in normalized densitometric values for SOD2 protein in peripheral lung tissue prepared from shunt compared with control lambs. Values are means ± SE n = 6 control and 6 shunt lambs. *P < 0.05 vs. control. C: protein extracts (25 μg) prepared from peripheral lung of shunt and control lambs were analyzed by Western blot analysis using a specific antiserum raised against uncoupling protein-2 (UCP-2). UCP-2 expression was also normalized for loading using β-actin. A representative blot is shown. D: there was a significant increase in normalized densitometric values for UCP-2 protein in peripheral lung tissue prepared from shunt compared with control lambs. Values are means ± SE n = 6 control and n = 6 shunt lambs. *P < 0.05 vs. control.

Tabulka 2. Lactate and pyruvate levels in peripheral lungs of shunt and control lambs

Data are means ± SE n = 5.

Mitochondrial dysfunction attenuates HSP90-eNOS interaction and shear-induced NO production in PAEC.

To further investigate the effect of mitochondrial dysfunction on NO signaling, we utilized cultured PAEC isolated from juvenile lambs. Mitochondrial dysfunction was induced in PAEC by using 2,4-DNP (50 μM, 0–6 h). Our data indicate that 2,4-DNP significantly decreased ATP levels in PAEC (Fig. 6A) associated with an increase in oxidative stress within the mitochondria (Fig. 6B). Furthermore, we found that this mitochondrial dysfunction was associated with a decrease in the association of HSP90 with eNOS (Fig. 7, Aa B) and shear-induced NO production (Fig. 7C) and an increase in eNOS-derived superoxide (Fig. 7D), indicating that impaired mitochondrial function reduces NO production.

Fig. 6.2,4-Dinitrophenol (2,4-DNP) decreases ATP levels and increases mitochondrial oxidative stress in pulmonary arterial endothelial cells (PAEC). A: PAEC were treated with 2,4-DNP (25 μM, 0–8 h), and the cellular ATP levels were then determined. 2,4-DNP significantly decreased cellular ATP levels. Values are means ± SE n = 6. T, time. *P < 0.05 vs. control. B: PAEC were treated with 2,4-DNP (25 μM, 4 h). Cells were then exposed to MitoSox (10 μM, 15 min) to measure mitochondrial superoxide levels (as a marker for mitochondrial dysfunction). 2,4-DNP induced a significant increase in MitoSox fluorescence (representative images are shown as an inset). Values are means ± SE n = 4. *P < 0.05 vs. untreated.


Fig. 7.2, 4-DNP decreases NO signaling in PAEC. A: PAEC were treated with 2,4-DNP (25 μM, 4 h) and washed with PBS, and lysates were prepared with modified RIPA buffer. IP was performed using an antibody to endothelial nitric oxide synthase (eNOS) and then Western blot analysis was done using a specific antiserum raised against heat shock protein 90 (HSP90). Blots were also stripped and reprobed for eNOS to normalize the IP. A representative blot is shown. B: 2,4-DNP treatment caused a significant reduction in eNOS-HSP90 interaction. Values are means ± SE n = 3. *P < 0.05 vs. untreated. C: cells were treated with 2,4-DNP (25 μM, 4 h) and exposed to laminar shear stress (20 dyn/cm 2 , 15 min), and then the medium was assayed for nitrate/nitrite (NOX) as an indirect determination of NO production. 2,4-DNP significantly decreased the shear-mediated increase in NOX. Values are means ± SE n = 6. *P < 0.05 vs. no shear. † †P < 0.05 vs. control. D: cells were treated with 2,4-DNP (25 μM, 4 h) in the presence and absence of the NOS inhibitor 3-ethylisothiourea (ETU 100 μM) and then exposed to laminar shear stress (20 dyn/cm 2 , 15 min). Superoxide levels were then determined using the spin trap 1-hydroxy-3-methoxycarbonyl-2,2,5,5-tetramethylpyrrolidine·HCl. 2,4-DNP significantly increased NOS-dependent superoxide generation in response to shear. Values are means ± SE n = 3. *P < 0.05 vs. no shear. † †P < 0.05 vs. shear + 2,4-DNP.

Decreased HSP90-eNOS interaction and altered NO signaling in shunt lambs.

To determine the effect of decreased mitochondrial function in shunt lambs on NO signaling, we carried out immunoprecipitation studies to determine eNOS-HSP90 interactions in both 2- and 4-wk-old shunt and control lambs. Our data indicate that there was a progressive decrease in eNOS-HSP90 interactions between 2 and 4 wk of age in shunt compared with control lambs (Fig. 8, A a B) and that this was associated with a progressive decrease in relative eNOS activity (as determined by tissue NOX levels as a fraction of calcium-dependent [ 3 H]arginine metabolism, Fig. 8C) and increased NOS-dependent superoxide levels indicative of eNOS uncoupling (Fig. 8D). We also confirmed the specificity of ETU for NOS-derived superoxide by demonstrating that ETU did not quench the superoxide generated by a xanthine/xanthine oxidase superoxide-generating system (Fig. 8E).

Fig. 8.Progressive decreases in the interaction of eNOS with HSP90 in shunt compared with control lambs. A: the interaction of eNOS with HSP90 was determined by IP using specific antiserum raised against eNOS in tissue extracts prepared from peripheral lung of shunt and control lambs at 2 and 4 wk of age. IP extracts were analyzed using antisera against either eNOS or HSP90. A representative image is shown. No specific protein bands were observed in the beads alone or in IgG preclear. B: the levels of eNOS protein associated with HSP90 relative to total eNOS protein were calculated. The data obtained indicate that there was a progressive decrease in the association of eNOS with HSP90 in shunt compared with control lambs between 2 (bars at vlevo, odjet) and 4 wk of age (bars at že jo). Values are means ± SE n = 5 shunt and 5 control lambs at each age. *P < 0.05 compared with age-matched control. † †P < 0.05 vs. 2-wk shunt. C: relative eNOS activity was estimated in shunt and age-matched control lambs at 2 and 4 wk of age by dividing peripheral lung tissue NOX levels by total lung eNOS activity (determined by calcium-dependent [ 3 H]arginine to [ 3 H]citrulline conversion). Relative eNOS activity was significantly lower in the shunt lambs at both 2 and 4 wk of age. Values are means ± SE n = 4 shunt and 4 control lambs at each age. *P < 0.05 compared with age-matched control. † †P < 0.05 vs. 2-wk shunt. D: superoxide anion levels determined by electron paramagnetic resonance (EPR) in snap-frozen lung tissue from shunt and age-matched control lambs at 4 wk of age in the presence and absence of the NOS inhibitor ETU (100 μM). A bar graph representing the cumulative data is shown. ETU-inhibitable superoxide levels were significantly higher in the shunt lambs. Values are means ± SD n = 6 shunt and 6 control lambs at each age. *P < 0.05 compared with age-matched control. † †P < 0.05 vs. 2-wk shunt. E: superoxide was generated in vitro by cross-reacting xanthine oxidase (XO 1 U/ml) with xanthine (X 1 mM) in the presence or absence of ETU (100 μM). Two control reactions, one lacking X and the other lacking XO, were included to ensure the absence of nonspecific reactions of either reagent with the EPR spin trap. The significant increase in superoxide generated by the X/XO reaction was not significantly quenched by the presence of ETU. Values are means ± SE n = 3 for each condition. *P < 0.05 compared with X alone. † †P < 0.05 vs. XO alone.


Global transcriptome analysis of the tetrachloroethene-dechlorinating bacterium Desulfitobacterium hafniense Y51 in the presence of various electron donors and terminal electron acceptors

Desulfitobacterium hafniense Y51 is a dechlorinating bacterium that encodes an unusually large set of O-demethylase paralogs and specialized respiratory systems including specialized electron donors and acceptors. To use this organism in bioremediation of tetrachloroethene (PCE) or trichloroethene (TCE) pollution, expression patterns of its 5,060 genes were determined under different conditions using 60-mer probes in DNA microarrays. PCE, TCE, fumarate, nitrate, and dimethyl sulfoxide (DMSO) respiration all sustain the growth of strain Y51. Global transcriptome analyses were thus performed using various electron donor and acceptor couples (respectively, pyruvate and either fumarate, TCE, nitrate, or DMSO, and vanillate/fumarate). When TCE is used as terminal electron acceptor, resulting in its detoxification, a series of electron carriers comprising a cytochrome bd-type quinol oxidase (DSY4055-4056), a ferredoxin (DSY1451), and four Fe&ndashS proteins (DSY1626, DSY1629, DSY0733, DSY3309) are upregulated, suggesting that the products of these genes are involved in PCE oxidoreduction. Interestingly, the PCE dehalogenase cluster (pceABCT) is constitutively expressed in the media tested, with pceT being upregulated and pceC downregulated in pyruvate/TCE-containing medium. In addition, another dehalogenation enzyme (DSY1155 coding for a putative chlorophenol reductive dehalogenase), is induced 225-fold in that medium, despite not being involved in PCE respiration. Remarkably since the reducing equivalents formed during pyruvate conversion to acetyl-CoA are channeled to electron acceptors including halogenated compounds, pyruvate induces expression of a pyruvate:ferredoxin oxidoreductase. This study paves the way to understanding the physiology of D. hafniense, optimizing this microbe as a bioremediation agent, and designing bioarray sensors to monitor the presence of dechlorinating organisms in the environment.

Časopis

Journal of Industrial Microbiology Biotechnology &ndash Springer Journals


Release Notes for EcoCyc Version 4.0

The most significant changes are marked with a "*".

Changes to the EcoCyc Data

  • EcoCyc describes all published pathways of E. coli metabolism. The following pathways were added since version 3.7:
    • carnitine metabolism, CoA-linked
    • enterobactin synthesis
    • phenylethylamine degradation

    All genes defined in this Genbank entry (which we term the "Blattner genes") were loaded into EcoCyc by merging the Blattner genes with gene objects that existed previously in EcoCyc. The initial merging was performed programmatically by matching the gene names assigned to the Blattner genes against the gene names and synonyms maintained in EcoCyc. These matches were confirmed by checking the Swiss-Prot links provided for many genes by the Blattner group with the Swiss-Prot links that exist for many EcoCyc genes. 2497 matches were found of which 2265 were confirmed using the Swiss-Prot links. A number of additional gene correspondences were determined through manual inspection.