American Society for Microbiology

Polyhydroxyalkanoates (PHA), trong đó polyhydroxybutyrate (PHB) là dạng phổ biến nhất, là các vật liệu dự trữ carbon và năng lượng của vi khuẩn với sự xuất hiện rộng rãi. Chúng được cấu thành từ các đơn nguyên monomer axit 3-hydroxy và tồn tại dưới dạng một số lượng nhỏ hạt trong tế bào. Các tính chất của polymer đồng đẳng C4 PHB như một thermoplastic phân hủy sinh học lần đầu tiên thu hút sự quan tâm của ngành công nghiệp hơn 20 năm trước. Các copolymer của các đơn nguyên C4 (3-hydroxybutyrate [3HB]) và C5 (3-hydroxyvalerate [3HV]) đã được điều chỉnh với các tính chất vật lý khác; ví dụ, nhựa này ít giòn hơn so với PHB, trong khi các PHA chứa các monomer từ C8 đến C12 hoạt động như elastomers. Gia đình vật liệu này đang thu hút sự quan tâm thương mại đáng kể, và các copolymer 3HB-co-3HV đã được ICI plc tiếp thị dưới tên Biopol. Các polymer đã biết tồn tại dưới dạng xoắn ốc 2(1) với độ lặp sợi giảm từ 0.596 nm cho PHB xuống khoảng 0.45 nm cho các polymer C8 đến C10. Các copolymer mới mẻ với xương sống là 3HB và 4HB đã được thu được. Các hạt tự nhiên chứa polymer không tinh thể, và nước có thể đóng vai trò như một chất làm dẻo. Mặc dù quá trình tổng hợp sinh học và điều hòa PHB thường được hiểu rõ, thông tin tương ứng cho quá trình tổng hợp PHA chuỗi dài từ alkanes, alcohols và axit hữu cơ vẫn còn chưa đầy đủ. Các cơ chế chính xác của các enzyme polymer hóa và phân giải polymer cũng còn chưa được thiết lập. Các gen cấu trúc cho ba enzyme chính trong quá trình tổng hợp PHB từ acetyl coenzyme A trong Alcaligenes eutrophus đã được nhân bản, giải mã và biểu hiện trong Escherichia coli. Trọng lượng phân tử polymer dường như phụ thuộc vào loài. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự lựa chọn thương mại của sinh vật, cơ chất và quy trình tách chiết được thảo luận. Các chức năng sinh lý của PHB như một vật liệu dự trữ và trong việc cố định nitơ cộng sinh cũng như sự hiện diện của nó trong màng plasma của vi khuẩn và vai trò tiềm năng trong khả năng chuyển đổi và tín hiệu canxi cũng được xem xét.

Bài báo này tổng quan về sinh thái học của quá trình phân hủy hydrocarbon bởi các quần thể vi sinh vật trong môi trường tự nhiên, nhấn mạnh các yếu tố vật lý, hóa học và sinh học góp phần vào sự phân hủy sinh học của dầu mỏ và các hợp chất hydrocarbon riêng lẻ. Tốc độ phân hủy sinh học phụ thuộc rất nhiều vào thành phần, trạng thái và nồng độ của dầu hoặc hydrocarbon, với sự khuếch tán và nhũ hóa tăng cường tốc độ trong các hệ thống nước và sự hấp thụ bởi các hạt đất là đặc điểm chính của các hệ sinh thái trên cạn. Nhiệt độ và nồng độ oxy và chất dinh dưỡng là những biến số quan trọng trong cả hai loại môi trường. Độ mặn và áp suất có thể cũng ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy sinh học trong một số môi trường nước, trong khi độ ẩm và pH có thể hạn chế sự phân hủy sinh học trong đất. Các hợp chất hydrocarbon chủ yếu được phân hủy bởi vi khuẩn và nấm. Sự thích nghi từ việc tiếp xúc trước đó của các quần thể vi sinh vật với hydrocarbon làm tăng tốc độ phân hủy hydrocarbon. Sự thích nghi này được hình thành thông qua sự làm giàu chọn lọc các vi sinh vật sử dụng hydrocarbon và khuếch đại quỹ gen phân hủy hydrocarbon. Hiện tượng này giờ đây có thể được theo dõi thông qua việc sử dụng các đầu dò DNA. Sự gia tăng tần suất plasmid cũng có thể liên quan đến sự thích nghi di truyền. Việc gieo giống để tăng tốc độ phân hủy sinh học đã được chứng minh là hiệu quả trong một số trường hợp, đặc biệt là khi được sử dụng trong các điều kiện được kiểm soát, chẳng hạn như trong các bình lên men hoặc chemostat.

Nhiều vi khuẩn gram âm và gram dương tiếp nhận carbohydrate thông qua hệ thống phosphoenolpyruvate (PEP): phosphotransferase carbohydrate (PTS). Hệ thống này vận chuyển và phosphoryl hóa carbohydrate bằng cách tiêu tốn PEP và là chủ đề của bài đánh giá này. PTS bao gồm hai protein chung, enzyme I và HPr, cùng một số enzyme riêng biệt cho carbohydrate, được gọi là enzyme II. Các protein PTS là phosphoprotein, trong đó nhóm phospho được gắn vào một dư lượng histidine hoặc, trong một số trường hợp, một dư lượng cysteine. Sau khi enzyme I được phosphoryl hóa bởi PEP, nhóm phospho sẽ được chuyển giao cho HPr. Enzyme II cần thiết cho việc vận chuyển carbohydrate qua màng và chuyển giao nhóm phospho từ phospho-HPr tới carbohydrate. Các nghiên cứu sinh hóa, cấu trúc và di truyền phân tử đã chỉ ra rằng các enzyme II khác nhau có cùng cấu trúc cơ bản. Mỗi enzyme II bao gồm các miền cho các chức năng cụ thể, ví dụ, gắn kết carbohydrate hoặc phosphoryl hóa. Mỗi phức hợp enzyme II có thể bao gồm từ một đến bốn polypeptide khác nhau. Enzyme II có thể được chia thành ít nhất bốn lớp dựa trên sự tương đồng trong trình tự. Di truyền học của PTS là phức tạp, và sự biểu hiện của các protein PTS được điều chỉnh một cách tinh vi do các vai trò trung tâm của những protein này trong việc thu nhận dinh dưỡng. Ngoài các cơ chế điều hòa cổ điển như sự ức chế-kích hoạt liên quan đến các protein ức chế và kích thích, các loại điều hòa khác, chẳng hạn như kháng kết thúc, đã được quan sát thấy ở một số PTS. Ngoài vai trò của chúng trong vận chuyển carbohydrate, các protein PTS còn tham gia vào hóa hướng động hướng tới carbohydrate PTS. Hơn nữa, protein IIAGlc, một phần của PTS đặc hiệu cho glucose, là một protein điều hòa trung tâm mà ở trạng thái không phosphoryl hóa có thể gắn kết và ức chế một số hệ thống thu nhận không thuộc PTS và do đó ngăn cản sự xâm nhập của các yếu tố kích thích. Ở dạng phosphoryl hóa, P-IIAGlc tham gia vào việc kích hoạt adenylate cyclase và do đó trong việc điều hòa biểu hiện gen. Bằng cách cảm nhận sự hiện diện của carbohydrate PTS trong môi trường và điều chỉnh trạng thái phosphoryl hóa của IIAGlc, các tế bào có thể thích nghi nhanh chóng với những điều kiện thay đổi trong môi trường. Trong vi khuẩn gram dương, đã được chứng minh rằng HPr có thể được phosphoryl hóa bởi ATP trên một dư lượng serine và sự biến đổi này có thể thực hiện một chức năng điều hòa.

Nhiễm trùng đường hô hấp do Pseudomonas aeruginosa và Burkholderia cepacia đóng vai trò chính trong sinh bệnh học của xơ nang (CF). Bài tổng quan này tóm tắt những tiến bộ mới nhất trong việc hiểu mối tương tác giữa vật chủ và mầm bệnh trong CF với sự nhấn mạnh vào vai trò và kiểm soát của sự chuyển đổi thành dạng nhầy trong P. aeruginosa, hiện tượng này biểu hiện sự thích ứng của loại mầm bệnh cơ hội này với quá trình nhiễm trùng mãn tính trong CF, và sức đề kháng tự nhiên với kháng sinh của B. cepacia, sự lây lan giữa người với người, và đôi khi gây tử vong nhanh chóng do loại vi khuẩn này gây ra. Mặc dù việc hiểu cơ chế chuyển đổi thành dạng nhầy trong P. aeruginosa đã tiến đến mức mà hiện tượng này đã trở thành một hệ thống mô hình để nghiên cứu phản ứng căng thẳng của vi khuẩn trong sinh bệnh học vi sinh, thách thức gần đây hơn với B. cepacia, vốn nổi lên như một mầm bệnh thực sự mạnh mẽ của CF, được thảo luận trong bối cảnh các vấn đề lâm sàng, phân loại, truyền nhiễm và các phương thức tiềm năng của kiểu bệnh lý.