Sản xuất Polyhydroxyalkanoat bởi Vibrio sp. mới có khả năng kị khí dưới điều kiện biển

Springer Science and Business Media LLC - Tập 14 - Trang 323-331 - 2011
Keiji Numata1, Yoshiharu Doi2
1Enzyme Research Team, RIKEN Biomass Engineering Program, RIKEN, Saitama, Japan
2RIKEN Research Cluster for Innovation, RIKEN, Saitama, Japan

Tóm tắt

Vi khuẩn biển gần đây đã thu hút sự chú ý như những ứng viên có thể hữu ích cho việc sản xuất các vật liệu thiết thực từ hệ sinh thái biển, bao gồm chu trình carbon dioxide đại dương. Những lợi thế của việc sử dụng vi khuẩn biển cho quá trình sinh tổng hợp poly(hydroxyalkanoate) (PHA), một trong những loại nhựa sinh học thân thiện với môi trường, bao gồm việc tránh ô nhiễm với các vi khuẩn thiếu khả năng chịu mặn, khả năng sử dụng nước biển đã được lọc làm môi trường nuôi cấy và khả năng sản xuất PHA ngoài tế bào, tất cả sẽ góp phần cho sản xuất PHA quy mô công nghiệp lớn. Một loại vi khuẩn biển mới, Vibrio sp. chủng KN01, đã được phân lập và đặc trưng hóa khả năng sản xuất PHA bằng cách sử dụng các nguồn carbon khác nhau dưới điều kiện biển hiếu khí và kị khí – hiếu khí. Hàm lượng PHA của tất cả các mẫu dưới điều kiện kị khí – hiếu khí, đặc biệt khi sử dụng dầu đậu nành làm nguồn carbon duy nhất, đã được gia tăng bằng cách hạn chế lượng oxy hòa tan. PHA tích lũy sử dụng dầu đậu nành làm nguồn carbon duy nhất dưới điều kiện kị khí – hiếu khí chứa 14% 3-hydroxypropionate (3HP) và 3% 5-hydroxyvalerate (5HV) bên cạnh các đơn vị (R)-3-hydroxybutyrate (3HB) và có trọng lượng phân tử là 42 × 103 g/mol. Kết quả hiện tại cho thấy hoạt động của con đường beta-oxit hóa dưới điều kiện kị khí – hiếu khí bị giảm do giảm lượng oxy hòa tan. Những phát hiện này có tiềm năng được sử dụng trong việc kiểm soát sinh tổng hợp PHA chuỗi chính dài bằng cách điều chỉnh hoạt động của con đường beta-oxit hóa, con đường này cũng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi nồng độ oxy hòa tan.

Từ khóa

#vi khuẩn biển #polyhydroxyalkanoate #sinh tổng hợp #Vibrio sp. #điều kiện biển #kị khí #hiếu khí

Tài liệu tham khảo

Abe H, Doi Y, Fukushima T, Eya H (1994) Biosynthesis from gluconate of a random copolyester consisting of 3-hydroxybutyrate and medium-chain-length 3-hydroxyalkanoates by Pseudomonas sp. 61–3. Int J Biol Macromol 16:115–119 Altschul SF, Gish W, Miller W, Myers EW, Lipman DJ (1990) Basic local alignment search tool. J Mol Biol 215:403–410 Campbell JW, Morgan-Kiss RM, Cronan JE Jr (2003) A new Escherichia coli metabolic competency: growth on fatty acids by a novel anaerobic beta-oxidation pathway. Mol Microbiol 47:793–805 De Smet MJ, Eggink G, Witholt B, Kingma J, Wynberg H (1983) Characterization of intracellular inclusions formed by Pseudomonas oleovorans during growth on octane. J Bacteriol 154:870–878 Doi Y (ed) (1990) Microbial polyesters. VCH Publishers, New York, USA Doi Y, Steinbüchel A (eds) (2001) Biopolymers. Wiley-VCH, Weinheim, Germany Doi Y, Tamaki A, Kunioka M, Soga K (1987) Biosynthesis of an unusual copolyester (10 mol-percent 3-hydroxybutyrate and 90 mol-percent 3-hydroxyvalerate units) in alcaligenes-eutrophus from pentanoic acid. J Chem Soc Chem Comm:1635–1636. Fiedler S, Steinbuchel A, Rehm BH (2002) The role of the fatty acid beta-oxidation multienzyme complex from pseudomonas oleovorans in polyhydroxyalkanoate biosynthesis: molecular characterization of the fadBA operon from P. oleovorans and of the enoyl-CoA hydratase genes phaJ from P. oleovorans and Pseudomonas putida. Arch Microbiol 178:149–160 Fuchtenbusch B, Wullbrandt D, Steinbuchel A (2000) Production of polyhydroxyalkanoic acids by Ralstonia eutropha and Pseudomonas oleovorans from an oil remaining from biotechnological rhamnose production. Appl Microbiol Biot 53:167–172 Fukui T, Doi Y (1997) Cloning and analysis of the poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) biosynthesis genes of Aeromonas caviae. J Bacteriol 179:4821–4830 Fukui T, Ohsawa K, Mifune J, Orita I, Nakamura S (2011) Evaluation of promoters for gene expression in polyhydroxyalkanoate-producing Cupriavidus necator h16. Appl Microbiol Biot 89:1527–1536 Fukui T, Suzuki M, Tsuge T, Nakamura S (2009) Microbial synthesis of poly((r)-3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxypropionate) from unrelated carbon sources by engineered Cupriavidus necator. Biomacromolecules 10:700–706 Fukui T, Yokomizo S, Kobayashi G, Doi Y (1999) Co-expression of polyhydroxyalkanoate synthase and (R)-enoyl-CoA hydratase genes of Aeromonas caviae establishes copolyester biosynthesis pathway in Escherichia coli. FEMS Microbiol Lett 170:69–75 Gonzalez-Garcia Y, Nungaray J, Cordova J, Gonzalez-Reynoso O, Koller M, Atlic A, Braunegg G (2008) Biosynthesis and characterization of polyhydroxyalkanoates in the polysaccharide-degrading marine bacterium Saccharophagus degradans ATCC 43961. J Ind Microbiol Biot 35:629–633 Iwata T, Aoyagi Y, Fujita M, Yamane H, Doi Y, Suzuki Y, Takeuchi A, Uesugi K (2004) Processing of a strong biodegradable poly[(R)-3-hydroxybutyrate] fiber and a new fiber structure revealed by micro-beam X-ray diffraction with synchrotron radiation. Macromol Rapid Comm 25:1100–1104 Karl DM (2007) Microbial oceanography: paradigms, processes, and promise. Nat Rev Microbiol 5:759–769 Kobayashi T, Enomoto S, Sakarazaki R, Kuwahara S (1963) A new selective medium for pathogenic vibrios: T.C.B.S. Agar. Jap J Bacteriol 18:387–391 Lemoignei M (1926) Products of dehydration and of polymerization of β-hydroxybutyric acid. Bull Soc Chim Biol 8:770–782 Lenz RW, Marchessault RH (2005) Bacterial polyesters: biosynthesis, biodegradable plastics and biotechnology. Biomacromolecules 6:1–8 Liebergesell M, Steinbuchel A (1993) Cloning and molecular analysis of the poly(3-hydroxybutyric acid) biosynthetic genes of Thiocystis violacea. Appl Microbiol Biot 38:493–501 Lopez NI, Pettinari MJ, Stackebrandt E, Tribelli PM, Potter M, Steinbuchel A, Mendez BS (2009) Pseudomonas extremaustralis sp. Nov., a poly(3-hydroxybutyrate) producer isolated from an Antarctic environment. Curr Microbiol 59:514–519 Molitoris E, Joseph SW, Krichevsky MI, Sindhuhardja W, Colwell RR (1985) Characterization and distribution of Vibrio-alginolyticus and Vibrio-parahaemolyticus isolated in Indonesia. Appl Environ Microb 50:1388–1394 Moran MA, Miller WL (2007) Resourceful heterotrophs make the most of light in the coastal ocean. Nat Rev Microbiol 5:792–800 Morris GK, Merson MH, Huq I, Kibrya AKMG, Black R (1979) Comparison of four plating media for isolating Vibrio-cholerae. J Clin Microbiol 9:79–83 Nakamura S, Doi Y, Scandola M (1992) Microbial synthesis and characterization of poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate). Macromolecules 25:4237–4241 Nakanishi Y (1963) An isolation agar medium for cholera and enteropathogenic halophilic vibrios. Modern Media 9:246 Park SJ, Ahn WS, Green PR, Lee SY (2001) Production of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) by metabolically engineered Escherichia coli strains. Biomacromolecules 2:248–254 Pizzoli M, Scandola M, Ceccorulli G (1994) Crystallization kinetics and morphology of poly(3-hydroxybutyrate) cellulose ester blends. Macromolecules 27:4755–4761 Pohlmann A, Fricke WF, Reinecke F, Kusian B, Liesegang H, Cramm R, Eitinger T, Ewering C, Potter M, Schwartz E, Strittmatter A, Voss I, Gottschalk G, Steinbuchel A, Friedrich B, Bowien B (2006) Genome sequence of the bioplastic-producing “knallgas ” bacterium Ralstonia eutropha H16. Nat Biotechnol 24:1257–1262 Qi Q, Rehm BH (2001) Polyhydroxybutyrate biosynthesis in Caulobacter crescentus: molecular characterization of the polyhydroxybutyrate synthase. Microbiology 147:3353–3358 Rainey FA, Stackebrandt E (1993) 16 s rDNA analysis reveals phylogenetic diversity among the polysaccharolytic Clostridia. FEMS Microbiol Lett 113:125–128 Rehm BH (2003) Polyester synthases: natural catalysts for plastics. Biochem J 376:15–33 Saito Y, Doi Y (1994) Microbial synthesis and properties of poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) in Comamonas-acidovorans. Int J Biol Macromol 16:99–104 Saitou N, Nei M (1987) The neighbor-joining method: a new method for reconstructing phylogenetic trees. Mol Biol Evol 4:406–425 Shimamura E, Kasuya K, Kobayashi G, Shiotani T, Shima Y, Doi Y (1994) Physical-properties and biodegradability of microbial poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate). Macromolecules 27:878–880 Spiekermann P, Rehm BHA, Kalscheuer R, Baumeister D, Steinbuchel A (1999) A sensitive, viable-colony staining method using nile red for direct screening of bacteria that accumulate polyhydroxyalkanoic acids and other lipid storage compounds. Arch Microbiol 171:73–80 Steinbuchel A, Hustede E, Liebergesell M, Pieper U, Timm A, Valentin H (1993) Molecular basis for biosynthesis and accumulation of polyhydroxyalkanoic acids in bacteria. FEMS Microbiol Rev 10:347–350 Sun WQ, Teng K, Meighen E (1995) Detection of poly(3-hydroxybutyrate) granules by electron-microscopy of Vibrio-harveyi stained with malachite green. Can J Microbiol 41:131–137 Timm A, Steinbuchel A (1990) Formation of polyesters consisting of medium-chain-length 3-hydroxyalkanoic acids from gluconate by Pseudomonas aeruginosa and other fluorescent pseudomonads. Appl Environ Microb 56:3360–3367 Tsuge T, Fukui T, Matsusaki H, Taguchi S, Kobayashi G, Ishizaki A, Doi Y (2000) Molecular cloning of two (R)-specific enoyl-CoA hydratase genes from Pseudomonas aeruginosa and their use for polyhydroxyalkanoate synthesis. FEMS Microbiol Lett 184:193–198 Tsuge T, Watanabe S, Shimada D, Abe H, Doi Y, Taguchi S (2007) Combination of n149s and d171g mutations in Aeromonas caviae polyhydroxyalkanoate synthase and impact on polyhydroxyalkanoate biosynthesis. FEMS Microbiol Lett 277:217–222 Tsuge T, Yamamoto T, Yano K, Abe H, Doi Y, Taguchi S (2009) Evaluating the ability of polyhydroxyalkanoate synthase mutants to produce P(3HB-co-3HA) from soybean oil. Macromol Biosci 9:71–78 Umani SF, Del Negro P, Larato C, De Vittor C, Cabrini M, Celio M, Falconi C, Tamberlich F, Azam F (2007) Major inter-annual variations in microbial dynamics in the Gulf of Trieste (northern Adriatic Sea) and their ecosystem implications. Aquat Microb Ecol 46:163–175 Wang Q, Zhang HX, Chen Q, Chen XL, Zhang YZ, Qi QS (2010) A marine bacterium accumulates polyhydroxyalkanoate consisting of mainly 3-hydroxydodecanoate and 3-hydroxydecanoate. World J Microb Biot 26:1149–1153