Frankia bakterileri, toksik aromatik hidrokarbonlarla kirlenmiş toprakta kolonize olan aktinomiset bitki ortakyaşamında önemli bir rol oynar. Ortakyaşamlardaki bakterilerin anlaşılması, sekanslanmış genomların mevcudiyeti ile büyük ölçüde kolaylaştırılmıştır. Bu Frankia’nın genomlarının analizi, bu bakterinin metabolik olarak çeşitli olduğunu ve toksik aromatik hidrokarbonları parçalama yeteneğine sahip olduğunu ortaya çıkardı.
İçindekiler
Frankia bakterisinin fenol yıkımı
Fenol veya hidroksibenzen, bir hidroksil grubu ile değiştirilen bir benzen halkasından oluşur. Bu molekülün türevleri halk arasında fenolik bileşikler olarak bilinir. Fenolik bileşikler, çok çeşitli özelliklere ve kullanımlara sahip her yerde bulunan kimyasallardır. En basit fenolik bileşik olan fenol, petrol ve kömür işlemede, metal ve mineral endüstrilerinde ve diğer birçok endüstriyel uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Klorofenoller ayrıca çevreye araç egzozu yoluyla ve normal metabolik süreçlerin bir ürünü olarak girerler ve tarımsal uygulamalarda biyopestisit olarak yaygın şekilde kullanılırlar.
Antropojenik fenoller genellikle tehlikeli olmakla birlikte, doğal olarak oluşan bileşikler, kahve ve çay gibi gıdalarda bulunan konsantrasyonlarda çoğunlukla zararsızdır ve hatta bazıları antibiyotik olarak kullanılır. Bununla birlikte, bazı fenollerin, özellikle fenollerin ve klorlu fenollerin toksisitesi, fenol tedavisine yönelik önemli araştırma faaliyetlerine yol açmıştır. Fenollere ve klorfenollere akut ve kronik maruz kalmanın ciddi sağlık etkileri vardır. Sonuçta doku nekrozuna ve karaciğer ve böbreklerde hasara yol açan lipid peroksidasyonuna neden olur. Ek olarak, klorofenollere maruz kalma, artan kanser riski, immün yetmezlik ve teratojenik etkiler ile ilişkilidir.
Fenol bozunmasının genel yolu
Biyoremediasyon, antropojenik fenollerin çevreden uzaklaştırılması için en umut verici teknolojilerden biridir. Çoğu bakteri fenolleri katabolik katekol enzimleri, özellikle de katekol-2,3 dioksijenaz kullanarak indirger. Fenoller önce katekol oluşturmak için hidroksile edilir ve daha sonra katekol-2,3-deoksijenaz benzen halkasını meta konumunda ayırır. Bu nedenle katekol-2,3-dioksijenaz ile başlayan bozunma yoluna meta-yol denir. Epitel yolu en yaygın yol olmakla birlikte, yıkımı dolaşımdaki bölünme veya katekol-1,2-oksijenaz kullanılarak orto modu ile başlayabilir.
Halka bölünmesinden sonra, 2-hidroksimukonik hidrolaz, 4-oksalokrotonlar veren dekarboksilasyon reaksiyonunu katalize eder. 4-oksokrotonlar, 4-hidroksi-2-oksovalerat oluşturmak üzere 2-oksopent-4-enoat hidrataz ile hidratlanır. 4-hidroksi-2-oksovalerat aldolaz daha sonra 4-hidroksi-2-oksovaleratı piruvat ve asetaldehite ayırır, bunlar daha sonra merkezi metabolik yolaklara dahil edilebilir.
frankia bakterileri ve fenolik bileşikler
Her iki Frankia türü de fenolik bileşikler üretir ve bunlardan etkilenir, ancak bunlar tanımlanamamıştır ve frankia fenolünü ve diğer fenolik bileşikleri bozabilir. Frankia fenolleri ilk olarak bitki-mikrobiyal etkileşimler bağlamında incelenmiştir. Nodüller ve baklagiller arasındaki bariz fonksiyonel ve morfolojik benzerliklere rağmen, nodülü kontrol eden moleküler ve fizyolojik mekanizmalar farklıdır. Bu nedenle, benzersiz düğüm süreci açısından hala yoğun bir araştırma alanıdır. Alnus türleri (Alder) bitkileri, büyümelerini etkileyen kök sızıntılarının yanı sıra Fransa için alışılmadık derecede yüksek fenol seviyelerine sahiptir.
Test edilen alnus fenolikleri, sığla büyümesini değişen derecelerde inhibe eder. Spesifik olarak, benzoik asitler, kafein gibi sinamik asitlerden daha az iç karartıcıdır. Bununla birlikte, bitki fenolik asit, o-hidroksifenilasetik asit, buhur büyüme, benzoik ve sinnamik asitler dallanmıştır. Bitki fenollerinin düşük konsantrasyonları ayrıca frankia gen ekspresyonunu engellerken, yüksek konsantrasyonlar basitçe biyosentezlerini engeller. İlginç bir şekilde, konukçu bitkinin fenolik ifadesini de artırarak daha fazla fenol, flavonoid ve hidroksisinnamik asit üretimine neden olur.
Mevcut besin maddelerini artırmanın bir yolu olarak fenollerin atılımını artırabilir. Bununla birlikte, frankia, fenolik bileşikleri azaltma yeteneğine güvenir. Bunu kanıtlayan hiçbir çalışma olmamasına rağmen, bu bakterilerin fenolik bileşikleri indirgediklerinde fenolik bileşikleri de azaltma yeteneğine sahip olabileceğine dair genetik kanıtlar vardır. Birincisi, bazı türler katekollerin ve diğer fenolik bileşiklerin üretimini kodlayan genlere sahiptir. Ürettikleri biyomoleküller genellikle bakteriler tarafından kurtarıldığı için, bir anabolik yolun varlığı, bir de katabolik yol olduğunu düşündürür. Ek olarak, çoklu suşlar, fenoliz yolundaki en önemli enzim olan katekol-2,3-dioksijenaz içerir. Yakından ilişkili bir bakteri olan Rhodococcus spp, tek karbon kaynağı olarak fenol ile büyümek için katekol-2,3-dioksijenaz yolunu kullanır. Aynı suş, dolaşım yoluyla daha kararlı PCP’yi de parçalayabilir. Bu, Frankia’nın biyoremediasyon çabalarında uygulanabilecek bir özellik olan fenolü parçalayabildiğini gösterir. Birkaç Frankia türü fenoller, kersetin, katekoller ve diğer fenolik bileşikler üzerinde gelişebilir, ancak bunların parçalanma metabolizması incelenmemiştir.
Frankia ve naftalin ayrışması
Naftalin, karbon 9 ve 10’a bağlı iki benzen halkasından oluşan her yerde bulunan bir polisiklik hidrokarbondur. Naftalin, kömür katranının damıtılması ve kristalleştirilmesinin yanı sıra fosil yakıt yanması ve sigara dumanının bir yan ürünü olarak üretilir. Plastik ve reçine üretimi için bir hammadde olarak ve kreozot bazlı ahşap koruyucuların bir bileşeni olarak dahil olmak üzere bir dizi endüstriyel uygulamada kullanılır. Naftalin ayrıca boya ve deri tabaklama endüstrilerinde de kullanılmaktadır.
Birçok organik kirleticinin aksine, biyolojik olarak birikmez, bunun yerine metabolize edilir ve idrarla atılır. Bununla birlikte, naftalin çoklu toksik etkileri olan sorunlu bir kirletici olduğundan, akut maruz kalma hemolitik anemiye ve karaciğer ve sinir hasarına neden olur. Ayrıca şiddetli maruz kalma ile artan kanser riski ile ilişkilidir. Naftalinin toksisitesi ve bir kirletici olarak yaygınlığı, biyoremediasyon ve biyolojik bozunma da dahil olmak üzere arıtma teknikleri üzerine araştırmaları teşvik etmiştir.
Naftalinin biyobozunma yolu ilk kez tek bir suşta incelenmiştir, ayrıca Pseudomonas bakterisi ile ilişkili naftalinin üst ve alt olmak üzere iki bozunma yolu vardır. Üst yol, salisilat ve molekül piruvat üretmek için naftalini katabolize ederken, alt yol salisilat’ı asetil-Co-A ve piruvata ayırır. Yukarı akış yolunun ilk adımı, aşağıdaki gibi dört protein tarafından katalize edilir:
* naftalin dioksijenaz redüktaz,
• naftalin dioksijenaz feroksin,
• Naftalin Dioksijenaz
• Fe-S proteininin küçük ve büyük alt birimleri,
Bu enzim grubu, cis-naftalin dihidrodiol ile dehidrojene edilir ve daha sonra naftalin, 1,2-dihidroksinaftalin oluşturmak üzere cis-dihidrodiol dehidrojenaz tarafından oksitlenir.
Franciada naftalini ayrıştırır
Frankia, naftalini ilgili bir yolda tek bir karbon ve enerji kaynağı olarak metabolize eder. Spesifik olarak, protokateşüt yolu, naftalini veya türevlerinden birini asetil Co-A ve süksinil Co-A’ya dönüştürmek için kullanılır. Bu sonuç, önceki saha çalışmalarında naftalinin önerilen ayrışmasında bulundu. Frankia kızılağaçları ile simbiyoz halinde ilk 1,5 yılda atık yağ ve kumdaki polisiklik hidrokarbonların ayrışmasını artırırken, 2,5 yıl sonra naftalin ile eşit ayrışma gösterir. Kızılağaç ortakyaşamları, PAH’larla kirlenmiş alanlarda gelişir. İlginç bir şekilde, doğal nesil 1’in aksine, PAH’lar, Frankia suşu 3 ile kontamine olmuş bu alanlarda bulunan kızılağaç bitkileri, bu kontaminantın tüberkülozu veya aktinomisetlerin hayatta kalmasını etkilediğini düşündürür. Birlikte ele alındığında, bu sonuçlar, naftalin frankia’nın şifada yararlı bir araç olduğunu göstermektedir.
protokol
Oksidatif koşullar altında, birçok aromatik bileşiğin ß-ketoadipat yolunun katekol veya protokatek dalı yoluyla mikrobiyal bozunması ve ortokatekol-1,2-dioksijenaz ve proteoat 3,4-dioksijenaz veya meta-katekol-2,3- ile bölünmesi dioksijenaz ve proteoat-4. 5-dioksijenaz tarafından parçalanarak oluşur.
Franciada’daki potansiyel proteolitik yol
Proto-teknoloji yolu olan Frankia QA3’ün yanı sıra, mevcut Frankia genomlarının biyoinformatik analizinden birkaç başka potansiyel protokateşüt yolu tanımlanmıştır. Frankia EuI1c’de varsayılan bir protokol yangın yolunun potansiyel bir tetikleyicisi tanımlanmıştır. Bu operon, proteazlar 3,4-alfa ve beta-deoksijenazlar, fumarat liyaz, 3-oksoadipat enol-laktonaz ve 4-hidroksibenzoat 3-monooksijenaz dahil olmak üzere varsayılan yolda yer alan tahmin edilen gen ürünlerini kodlar. Bu gen ürünleri, içindeki proteoliz yoluna benzer. Elde edilen sonuçlara göre, frankia protokateşin olduktan sonra birçok aromatik halka bileşiğini parçalamak için protokateşin glikoliz yolunu kullanabilmektedir.
hidrokarbonlar
Enerji ve petrol ürünleri tüm dünyada yaygın olarak kullanılmaktadır. Petrolün yayılması kaçınılmaz olarak ciddi çevre kirliliğine yol açmaktadır. Petrol, hidrokarbonlar, sikloalkanlar, aromatik hidrokarbonlar ve asfalten gibi daha karmaşık kimyasalların karmaşık bir karışımıdır. Petrojenik bileşikler ve türevleri olarak adlandırılan bu kimyasallar, petrol döküntüleri ve petrol bazlı ürünlerin yanması sonucu çevreye salınır. Petrol sızıntıları, yıkıcı su ve deniz ortamlarının yanı sıra en tehlikeli petrol kirliliği kaynakları arasındadır. Petrolü iyileştirmenin yeni yollarını belirlemek için devam eden araştırmalar önemlidir. Çünkü petrol sızıntıları ve diğer petrol kirliliği türleri hala çevresel sağlık riskleri oluşturmaktadır.
Hidrokarbon parçalayıcı bakteri ve mantarlar, tatlı su ve deniz ortamlarının yanı sıra toprak habitatlarında yaygın olarak bulunur. Psödomonasalkan hidroksilaz (monooksijenaz) sistemi üç bileşenden oluşur: alkan hidroksilaz (AlkB), rubredoksin ve rubredoksin redüktaz. Bu sistem, n-alkanların kullanımındaki ilk oksidasyon basamağından sorumludur. Benzer alkan hidroksilaz sistemleri birçok alkan indirgeyen bakteride bulunur. 2B5 suşu, yeni bir alkan hidroksilaz geni yoluyla C13–C30 n-dallı alkanları ve alkanları (saf ve bitkisel) tek karbon kaynağı olarak ham petrolden azaltır. Diğer akinetobakterler, tek karbon kaynağı olarak C10 – C40 zincir uzunluklarına sahip n-alkanları kullanabilir. Ek olarak, iki Rhodococcus suşunda birden fazla alkan hidroksilaz varlığı karakterize edilmiştir ve her iki organizma da bir alkan monooksijenazın en az dört genetik homologudur.
Frankia sekanslı bu suşlar arasındaki potansiyel hidrokarbon bozunma yollarını belirlemek için bir biyoinformatik yaklaşım kullanıldı. Bilinen hidrokarbon bozunma yolları, Fransa Genom Veritabanı ve potansiyel yolların tanımlanması için fonksiyonel olarak analiz edilmiş genler. Çalışmanın ön verilerine göre, F. alni ACN14a genomu, n-alkanların varsayılan alkan-1 monooksijenaz genine parçalanmasında rol oynayan bilinen enzimlerden biridir. Ayrıca benzer bir gen olan EAN1pec genomu frankia sp’de bulundu ve biyoinformatik sonuçları bu hipotezi destekliyor. Hidrokarbonlar, Frankia petrol sızıntısından bozulabilir, ancak bu ilk sonuçların daha fazla araştırılması gerekir.
Metabolik kapasiteyi gen işlevine bağlayan çalışmalar, bakterileri biyolojik işleme yetenekleri için kullanmanın ilk adımıdır. Eşsiz metabolik potansiyeli aydınlatmak için daha fazla biyoinformatik veri madenciliği gereklidir. Bununla birlikte, bu in silico çalışmalar, bu yetenekleri doğrulamak için laboratuvar deneyleri gerektirir. Sınırlı alan çalışmalarına dayanarak, radyal nodül istilasının çevresel koşullar tarafından kontrol edildiği görülmektedir. PAH ile stres altındaki topraklarda bulunan kızılağaç nodüllerinde bulunan Frankia Lineage 3 suşlarının varlığı, bu suşun daha büyük metabolik potansiyele sahip olabileceğini gösterir. Bu suşun diğer enfeksiyöz suşlara kıyasla daha büyük genom boyutu da bu hipotezi desteklemektedir. Ancak, bu varsayımı doğrulamak için daha fazla çalışmaya ihtiyaç vardır.
kaynak:
pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24350296/
sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128234143000113
yazar: Özlem Güvençoğlu
Diğer gönderilerimize göz at
[wpcin-random-posts]