جيوباكتر ميتاليريدوسينس

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

جيوباكتر ميتاليريدوسينز هي بكتيريا بروتينية سالبة الغرام مختزلة للمعادن . [ 1 ] وهي بكتيريا لاهوائية إجبارية تؤكسد العديد من الأحماض الدهنية قصيرة السلسلةوالكحولات والمركبات العطرية الأحادية باستخدام الحديد الثلاثي كمستقبل وحيد للإلكترونات . [ 2 ] كما يمكنها استخدام اليورانيوم للنمو وتحويل اليورانيوم سداسي التكافؤ إلى يورانيوم رباعي التكافؤ. [ 3 ]

اكتُشفت بكتيريا جيوباكتر ميتاليريدوسينز على يد ديريك لوفلي في جامعة ماساتشوستس أمهيرست عام 1993. [ 1 ] وهي بكتيريا مختزلة للحديد، وكان يُعتقد أن هذه البكتيريا يمكن استخدامها لمعالجة المواقع الصناعية التي تشكلت فيها "مركبات السيانيد المعدنية" التي تلوث الموقع. [ 4 ]

يبلغ طول كروموسوم جينوم بكتيريا جيوباكتر ميتاليريدوسينز 3,997,420 زوجًا قاعديًا. وهو كروموسوم بكتيري دائري ، أي لا يحتوي على نهايات حرة للحمض النووي. ويشبه شكله شكل البيضة تقريبًا. [ 5 ] كما تبلغ نسبة محتوى GC في بكتيريا جيوباكتر ميتاليريدوسينز 59.51%. [ 5 ] أما البلازميد ، فيحتوي على نسبة GC أقل ، تبلغ 52.48%، ويبلغ طوله 13,762 زوجًا قاعديًا. ويشفر البلازميد بروتينًا مُثبِّتًا، RelE/ParE، يسمح لبكتيريا جيوباكتر ميتاليريدوسينز بالتكيف والنمو في ظروف بيئية مختلفة وجديدة. [ 6 ]

تُصبح بكتيريا جيوباكتر ميتاليريدوسينز متحركة عند الضرورة، إذ تُنتج سوطًا للانتقال عندما تصبح الظروف البيئية غير مواتية. [ 4 ] يُعدّ كلٌّ من الحديد الثلاثي (Fe(III)) والمنغنيز الرباعي (Mn(IV)) غير القابلين للذوبان مُستقبِلين للإلكترونات للعديد من الكائنات الحية الدقيقة الكيميائية ذاتية التغذية . يُنتَج الحديد الثنائي (Fe(II)) من خلال اختزال أكاسيد الحديد الثلاثي والمنغنيز الرباعي. غالبًا ما يصعب على هذه الكائنات الحصول على الحديد والمنغنيز لأن أكاسيد الحديد الثلاثي والمنغنيز الرباعي لا تنتشر بحرية عبر الأغشية البكتيرية. طوّرت بكتيريا جيوباكتر ميتاليريدوسينز طريقة فريدة للوصول إلى الحديد عبر أكاسيد الحديد الثلاثي والمنغنيز الرباعي غير القابلة للذوبان؛ إذ تُنمّي زوائد حركية لمساعدتها في العثور على هذه الأكاسيد غير القابلة للذوبان والتواصل معها. [ 7 ] وفقًا لدراسة أجراها تشايلدرز وآخرون، نمت خلايا بكتيريا جيوباكتر ميتاليريدوسينز التي نمت في بيئة تحتوي على أكاسيد الحديد الثلاثي والمنغنيز الرباعي غير القابلة للذوبان أسواطًا وأهدابًا. بينما لم تمتلك تلك التي نمت في بيئات تحتوي على أكاسيد الحديد الثلاثي والمنغنيز الرباعي الذائبة أسواطًا ولا شعيرات. لا تتحرك بكتيريا G. metallireducens إلا في غياب أكاسيد الحديد الثلاثي والمنغنيز الرباعي الذائبة في بيئتها لتكون بمثابة مستقبلات للإلكترونات. وهي أول كائن حي دقيق معروف يُظهر ميولًا كيميائية نحو الحديد والمنغنيز، بالإضافة إلى كونها أول ميكروب يُكتشف أنه يؤكسد المركبات العضوية باستخدام عنصري الحديد والمنغنيز غير العضويين. [ 7 ]

لا تقتصر وظيفة بكتيريا G. metallireducens على اختزال أكاسيد الحديد الثلاثي والمنغنيز الرباعي، بل يمكنها اختزال مجموعة متنوعة من المركبات، بما في ذلك المركبات السامة أو المشعة مثل اليورانيوم والبلوتونيوم والتكنيتيوم والفاناديوم . [ 8 ] ويمكن للفاناديوم، على وجه الخصوص، أن يلوث المياه الجوفية في المناطق القريبة من مواقع التعدين النشطة. وتستطيع بكتيريا G. metallireducens استخدام الفاناديوم (V) كمصدر للطاقة عن طريق اختزاله إلى فاناديوم (IV). لذا، يمكن استخدام هذه البكتيريا للمساعدة في تطهير المياه الجوفية الملوثة.

في دراسة أجريت عام 2006، اكتشف وياتروفسكي وزملاؤه أن سلالة G. metallireducens GS-15 قادرة على اختزال الزئبق الأيوني (Hg(II)) إلى زئبق عنصري (Hg(0)). يحدث هذا الاختزال الميكروبي في ظروف لاهوائية كجزء من عملية التنفس البكتيري ، حيث تعمل المعادن كمستقبلات نهائية للإلكترونات. يُعدّ تحويل Hg(II)، وهو شكل سام ومتاح بيولوجيًا من الزئبق، إلى Hg(0) متطاير ذا آثار بيئية هامة. فالزئبق العنصري أقل تفاعلاً ويمكنه التطاير في الغلاف الجوي، مما قد يقلل من السمية المحلية للبيئات الملوثة بالزئبق. [ 9 ]

في عام ٢٠٠٢، أُجريت دراسة ميدانية تجريبية لفحص فعالية استخدام بكتيريا G. metallireducens في تطهير موقع سابق لمعالجة خامات الفاناديوم واليورانيوم في رايفل، كولورادو . نتيجةً لتسرب مخلفات التعدين ، وُجدت تراكيز من الفاناديوم (V) في المياه الجوفية تصل إلى ٥٠ ميكرومول/لتر بالقرب من الموقع. استُخدم الأسيتات كمانح للإلكترونات، وضُخّ في طبقة المياه الجوفية لمدة ٥٠ يومًا. أظهرت آبار الاختبار الواقعة أسفل موقع الحقن انخفاضًا في مستويات الفاناديوم (V) خلال ٩ أيام، ووصلت إلى مستويات غير قابلة للكشف أو أقل من التركيز المُحدد بناءً على المخاطر الصحية على الإنسان (٦ ميكرومول/لتر) خلال ٣٩ يومًا. أما الآبار الواقعة أعلى موقع حقن الأسيتات فلم تشهد تغييرًا يُذكر. في نفس الفترة الزمنية، لوحظت زيادة كبيرة في نسبة البكتيريا من عائلة Geobacteraceae ، مما يقدم دليلاً قوياً على الترسيب الحيوي للفاناديوم (V) من المياه الجوفية بواسطة G. metallireducens . [ 10 ] [ 11 ]

تستطيع بكتيريا G. metallireducens استخدام آلية مماثلة لاختزال اليورانيوم (VI) إلى يورانيوم (IV) في المياه الجوفية الملوثة. ومع ذلك، لا يزال هناك حاجة إلى إجراء المزيد من الأبحاث لتحسين فعالية هذه العملية. [ 11 ]

أثبتت بكتيريا G. metallireducens قدرتها على اختزال الكلورامفينيكول (CAP) إلى نواتج إزالة الكلور الكاملة في ظروف الاستزراع النقي. وكشفت الأبحاث التي استخدمت قياسات الفولتامترية الدورية وقياس التيار الزمني أن كفاءة إزالة الكلورامفينيكول تتناسب عكسيًا مع الجرعات الأولية منه، مما يُظهر إمكانية استخدام هذه البكتيريا في المعالجة الحيوية للبيئات الملوثة بالمضادات الحيوية. [ 12 ]

تستطيع بكتيريا G. metallireducens تكوين روابط كهربائية مع ميكروبات أخرى. وهذا بدوره يسمح لهذه الميكروبات الأخرى بإجراء عملية التمثيل الغذائي التكافلي اللاهوائي للمواد العضوية. تُسمى هذه العملية بنقل الإلكترونات المباشر بين الأنواع (DIET). يتميز DIET بانتقال الإلكترونات الحرة، بدلاً من حصول الكائنات الحية على الإلكترونات فقط عبر اختزال مركبات أخرى. [ 13 ] تنقل شعيرات G. metallireducens التيارات الكهربائية، حيث يمكنها نقل الإلكترونات إلى أنواع أخرى من جنس Geobacter ، بالإضافة إلى العتائق، وتحديداً الميثانوجينات. يسمح اتصال DIET مع الميثانوجينات لهذه البكتيريا بالمساهمة في دورة الميثان، وتحويل النفايات العضوية إلى ميثان. [ 14 ]

أظهرت دراسة أجراها تشو وآخرون أن بكتيريا جيوباكتر ميتاليريدوسينز قادرة على المشاركة في نقل الإلكترون المباشر بين الأنواع (DIET) مع بكتيريا ميثانوثريكس ثيرموأسيتوفيلا (المعروفة سابقًا باسم ميثانوثريكس ثيرموأسيدوفيلا ). وقد تبين أن هذا التفاعل التعاوني يعزز إنتاج الميثان بواسطة ميثانوثريكس ثيرموأسيتوفيلا عبر تفاعل عدم تناسب الأسيتات. وقد تم تسهيل عملية نقل الإلكترون بواسطة معقد البورين OmaF-OmbF-OmcF وسيتوكروم من النوع c ذي ثماني هيمات في الغشاء الخارجي ، والذي يُشفّر بواسطة الجين Gmet_0930 .

بالإضافة إلى ذلك، وجدت الدراسة أن التعبير عن جينات الحويصلات الغازية في بكتيريا M. thermoacetophila قد انخفض بشكل ملحوظ أثناء عملية نقل الإلكترونات بين الأنظمة الغذائية المختلفة (DIET) مقارنةً بالخلايا التي نمت على الأسيتات فقط. يُفترض أن هذا الانخفاض في التعبير يُحسّن التلامس الفيزيائي بين بروتينات الأكسدة والاختزال المرتبطة بالغشاء، مما يُحسّن نقل الإلكترونات أثناء التفاعل التكافلي. [ 15 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 لوفلي دي آر، جيوفانوني إس جيه، وايت دي سي، شامبين جيه إي، فيليبس إي جيه، جوربي واي إيه، جودوين إس (1993). "جيوباكتر ميتاليريدوسينز، جنس جديد، نوع جديد، كائن دقيق قادر على ربط الأكسدة الكاملة للمركبات العضوية باختزال الحديد والمعادن الأخرى". أرشيف علم الأحياء الدقيقة . 159 (4): 336-344 . Bibcode : 1993ArMic.159..336L . doi : 10.1007/BF00290916 . PMID 8387263. S2CID 21365293 .  
  2. ↑ تريمبلاي، ب. ل.، أكلوكار، م.، ليانغ، س.، نيفين، ك. ب.، لوفلي، د. (فبراير 2012). "نظام وراثي لبكتيريا جيوباكتر ميتاليريدوسينز: دور الفلاجيلين والبيلين في اختزال أكسيد الحديد الثلاثي". تقارير علم الأحياء الدقيقة البيئية . 4 (1): 82-88 . Bibcode : 2012EnvMR...4...82T . doi : 10.1111/j.1758-2229.2011.00305.x . PMID 23757233. S2CID 28743447 .  
  3. ↑ كوريبانيكس، ن.م.، توورتو، س.ج.، لوبيز-شيافاريلي، ن.، ماكغينيس، ل.ر.، هاغبلوم، م.م.، ويليامز، ك.هـ.، لونغ، ب.إ.، كيركوف، ل.ج. (2015). "التوزيع المكاني لبكتيريا بيتا بروتيوبكتيريا تتنفس اليورانيوم في موقع أبحاث ميدانية في رايفل، كولورادو" . PLOS ONE . 10 (4) e0123378. Bibcode : 2015PLoSO..1023378K . doi : 10.1371/journal.pone.0123378 . PMC 4395306. PMID 25874721 .  
  4. 1 2 تشيلدرز إس إي، سيوفو إس، لوفلي دي آر (أبريل 2002). "جيوباكتر ميتاليريدوسينز تصل إلى أكسيد الحديد الثلاثي غير القابل للذوبان عن طريق الانجذاب الكيميائي". نيتشر . 416 ( 6882): 767-769 . Bibcode : 2002Natur.416..767C . doi : 10.1038/416767a . PMID 11961561. S2CID 2967856 .  
  5. أكلوجكار م، كروشكال ج، ديبارتولو ج، لابيدوس أ، لاند إم إل، لوفلي دي آر (مايو 2009). "تسلسل جينوم جيوباكتر ميتاليريدوسينز: سمات الأيض، والفيزيولوجيا ، والتنظيم المشتركة والمختلفة عن جيوباكتر سلفوريدوسينز" . بي إم سي ميكروبيولوجي . 9 : 109. doi : 10.1186 / 1471-2180-9-109 . PMC 2700814. PMID 19473543 .  
  6. ↑ أنانثارامان، ف.، وأرافيند، ل. (2003). "روابط جديدة في شبكة السموم ومضادات السموم بدائيات النوى: العلاقة بنظام تحلل الحمض النووي الريبوزي الوسيط بالهراء في حقيقيات النوى" . علم الأحياء الجينومي . 4 (12): R81. doi : 10.1186/gb-2003-4-12-r81 . PMC 329420. PMID 14659018 .  
  7. 1 2 تشيلدرز، سوزان إي.؛ سيوفو، ستايسي؛ لوفلي، ديريك ر. (أبريل 2002). "جيوباكتر ميتاليريدوسينز تصل إلى أكسيد الحديد الثلاثي غير القابل للذوبان عن طريق الانجذاب الكيميائي" . نيتشر . 416 (6882): 767-769 . Bibcode : 2002Natur.416..767C . doi : 10.1038/416767a . ISSN 1476-4687 . 
  8. ↑ صن، جون؛ سيار، بهاره؛ بتلر، جيسيكا إي؛ فاركيا، بريتي؛ فاهلاند، توم آر؛ فاميلي، إيمان؛ شيلينغ، كريستوف إتش؛ لوفلي، ديريك آر؛ ماهاديفان، رادهاكريشنان (ديسمبر 2009). "نمذجة Geobacter metallireducens على نطاق الجينوم باستخدام القيود" . BMC Systems Biology . 3 (1). doi : 10.1186/1752-0509-3-15 . ISSN 1752-0509 . PMC 2640342. PMID 19175927 .   
  9. ↑ وياتروفسكي، هيذر أ.؛ وارد، بولا م.؛ باركاي، تامار (2006). "اختزال جديد للزئبق (II) بواسطة بكتيريا مختزلة للمعادن غير المتجانسة حساسة للزئبق". العلوم والتكنولوجيا البيئية . 40 (20): 6690-6695 . doi : 10.1021/es061291n .
  10. ↑ أورتيز-برناد، إيرين؛ أندرسون، روبرت ت.؛ فريونيس، هيلين أ.؛ لوفلي، ديريك ر. (مايو 2004). " تنفس الفاناديوم بواسطة بكتيريا جيوباكتر ميتاليريدوسينز: استراتيجية جديدة لإزالة الفاناديوم من المياه الجوفية في الموقع" . علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي . 70 (5): 3091-3095 . doi : 10.1128/AEM.70.5.3091-3095.2004 . PMC 404428. PMID 15128571 .  
  11. 1 2 أندرسون، روبرت ت.؛ فريونيس، هيلين أ.؛ أورتيز-برناد، إيرين؛ ريش، تشارلز ت.؛ لونغ، فيليب إي.؛ ديفولت، ريتشارد؛ كارب، كين؛ ماروتزكي، سام؛ ميتزلر، دونالد ر.؛ بيكوك، آرون؛ وايت، ديفيد س.؛ لوي، ماري؛ لوفلي، ديريك ر. (أكتوبر 2003). "تحفيز النشاط الموضعي لأنواع الجيوباكتر لإزالة اليورانيوم من المياه الجوفية لخزان جوفي ملوث باليورانيوم" . علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي . 69 (10): 5884-5891 . Bibcode : 2003ApEnM..69.5884A . doi : 10.1128/AEM.69.10.5884-5891.2003 . ISSN 0099-2240 . PMC 201226 .  
  12. ↑ شو، هـ.، شياو، ل.، تشنغ، س. وآخرون. "التحلل الاختزالي للكلورامفينيكول بواسطة جيوباكتر ميتاليريدوسينز". مجلة العلوم والتكنولوجيا الصينية ، 62، 1688-1694 (2019). doi : 10.1007/s11431-018-9415-2
  13. ↑ دوبيه، تشارلز-ديفيد؛ غيو، سيرج ر. (2015)، "نقل الإلكترون المباشر بين الأنواع في الهضم اللاهوائي: مراجعة" ، في غيبيتز، جورج م.؛ باور، ألكسندر؛ بوخمان، غونتر؛ غروناور، أندرياس (محررون)، علم وتكنولوجيا الغاز الحيوي ، المجلد 151، تشام: دار نشر سبرينغر الدولية، الصفحات 101-115 ، doi : 10.1007/978-3-319-21993-6_4 ، ISBN   978-3-319-21992-9PMID 26337845 ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 أبريل 2024 
  14. ↑ لوفلي، ديريك ر. (16 فبراير 2022). "نبذة عن الميكروب: جيوباكتر ميتاليريدوسينز: نموذج لوظائف جديدة ذات أهمية بيوجيوكيميائية وتكنولوجية: هذه المقالة جزء من مجموعة نبذات عن الميكروبات" . علم الأحياء الدقيقة . 168 (2). doi : 10.1099/mic.0.001138 . ISSN 1350-0872 . 
  15. ↑ تشو، شاوآن؛ لو، تشي؛ ليو، فين؛ يو، هونغوي؛ وانغ، غوانتشو؛ هولمز، دون إي؛ لوفلي، ديريك ر. (2023). "تشكل بكتيريا ميثانوثريكس ثيرموأسيتوفيلا وجيوباكتر ميتاليريدوسينز اتحادًا مباشرًا لنقل الإلكترونات بين الأنواع مع إنتاج مُعزز للميثان من تفكك الأسيتات". مجلة ISME . doi : 10.1038/s41396-023-01405-6 .

للمزيد من القراءة