American Society for Microbiology

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.

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.

Từ góc độ lịch sử, việc nghiên cứu cả sinh hóa và di truyền học của quá trình tổng hợp lipopolysaccharide (LPS) bắt đầu với các vi khuẩn đường ruột. Các sinh vật này lại đã trở thành tâm điểm khi các khối gen liên quan đến việc tổng hợp LPS đã được giải mã và phân tích. Nhiều gen mới và không lường trước được đã được tìm thấy trong các cụm gen này, cho thấy sự phức tạp của các con đường sinh hóa mà không được dự đoán từ các nghiên cứu trước đó. Một trong những lĩnh vực nghiên cứu LPS ấn tượng nhất là việc làm sáng tỏ con đường tổng hợp lipid A. Bốn trong số các gen này đã được xác định và giải mã, và ba trong số đó nằm trong một operon phức tạp, cũng chứa các gen liên quan đến tổng hợp DNA và phospholipid. Cụm gen rfa, chứa nhiều gen cho tổng hợp lõi LPS, bao gồm ít nhất 17 gen. Một trong những phát hiện đáng chú ý trong cụm này là một nhóm một số gen dường như tham gia vào quá trình tổng hợp các loài lõi thô thay thế mà được chỉnh sửa để không thể trở thành các bộ tiếp nhận cho polysaccharid đặc hiệu O. Các cụm gen rfb mã hóa tổng hợp kháng nguyên O đã được giải mã từ một số kiểu huyết thanh và thể hiện sự đa hình di truyền như đã được dự đoán dựa trên sự phức tạp hóa học của các kháng nguyên O. Các cụm này dường như đã phát sinh thông qua việc trao đổi các khối gen giữa các sinh vật tổ tiên. Giữa một số lượng lớn các gen LPS hiện đã được giải mã từ các cụm rfa và rfb này, không có gen nào mã hóa cho các protein dường như được bài tiết qua màng tế bào và thật ngạc nhiên là chỉ có rất ít protein mã hóa cho protein màng tích cực hoặc các protein có miền kỵ nước lớn. Những dữ liệu này, cùng với so sánh chuỗi gen và các thí nghiệm bổ sung giữa các dòng và loài, gợi ý rằng các enzyme sinh tổng hợp LPS có thể được tổ chức thành các cụm trên bề mặt bên trong của màng tế bào chất được sắp xếp xung quanh một số protein màng chủ chốt.

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.

Bài đánh giá này tập trung vào mối quan hệ giữa gen và enzyme cũng như sự điều hòa ở các cấp độ khác nhau của con đường sinh tổng hợp axit amin thơm trong một hệ thống eukaryote đơn giản, cụ thể là nấm men đơn bào Saccharomyces cerevisiae. Hầu hết các phản ứng trong con đường phân nhánh này đều chung cho tất cả các sinh vật có khả năng tổng hợp tryptophan, phenylalanine và tyrosine. Hiện nay, kiến thức về hai cơ chế kiểm soát chính trong sự sinh tổng hợp axit amin thơm của nấm men được xem xét. (i) Ở cấp độ phiên mã, hầu hết các gen cấu trúc được điều hòa bởi trình kích hoạt phiên mã GCN4, một loại yếu tố điều hòa của mạng lưới điều khiển axit amin tổng quát, liên kết việc giải phóng phiên mã với tình trạng thiếu axit amin của nhiều gen cấu trúc trong các con đường sinh tổng hợp axit amin đa dạng. (ii) Ở cấp độ enzyme, dòng carbon chủ yếu được kiểm soát bằng cách điều chỉnh hoạt động của enzyme tại bước đầu tiên của con đường và tại các điểm phân nhánh, nhờ vào tác động hồi tiếp của ba sản phẩm cuối cùng axit amin thơm. Các ý nghĩa của những phát hiện này đối với mối quan hệ giữa S. cerevisiae với các sinh vật prokaryote cũng như với các sinh vật eukaryote cao hơn và đối với các cơ chế điều hòa chung xảy ra trong một tế bào sống như sự khởi đầu của phiên mã, sự điều hòa enzyme, và điều hòa một điểm phân nhánh trong chuyển hóa được thảo luận.

Chúng tôi mô tả một bộ sưu tập các đột biến khuyết tật hô hấp hạt nhân (các đột biến pet) của Saccharomyces cerevisiae bao gồm 215 nhóm bổ sung. Bộ đột biến này có thể đại diện cho một phần đáng kể của tổng thông tin di truyền trong nhân cần thiết để duy trì ti thể chức năng trong S. cerevisiae. Các tổn thương sinh hóa của các đột biến trong khoảng 50 nhóm bổ sung đã liên quan đến các enzyme đơn lẻ hoặc các con đường tổng hợp sinh học, và các gen hoang dã tương ứng đã được nhân bản và cấu trúc của chúng đã được xác định. Các gen được xác định bởi 20 nhóm bổ sung phụ thêm đã được nhận diện thông qua các bài kiểm tra allele với các đột biến được đặc trưng ở các phòng thí nghiệm khác. Các đột biến đại diện cho các nhóm bổ sung còn lại đã được phân loại thành một trong năm lớp kiểu hình sau: (i) thiếu hụt cytochrome oxidase, (ii) thiếu hụt coenzyme QH2-cytochrome c reductase, (iii) thiếu hụt ATPase ti thể, (iv) không có sự tổng hợp protein ti thể, và (v) thành phần bình thường của các phức hợp chuỗi hô hấp và ATPase nhạy cảm với oligomycin. Ngoài các gen được xác định qua phân tích sinh hóa và di truyền các đột biến pet, chúng tôi đã lập danh mục các gen PET không tương ứng với các nhóm bổ sung trong bộ đột biến và các gen khác mà sản phẩm của chúng hoạt động trong ti thể nhưng không cần thiết cho hô hấp. Tất cả thông tin này cung cấp một danh sách cập nhật các gen đã biết mã hóa cho các thành phần ti thể và cho các protein mà sự biểu hiện của chúng là rất quan trọng cho khả năng hô hấp của S. cerevisiae.