شيوانيلا أونيدنسيس

تنتمي بكتيريا شيوانيلا أونيدنسيس MR-1 إلى فئة من البكتيريا تُعرف باسم " البكتيريا المختزلة للمعادن غير المتجانسة " (DMRB)، وذلك لقدرتها على ربط اختزال المعادن بعملياتها الأيضية. وتُعدّ آلية اختزال المعادن موضع جدلٍ واسع، إذ كشفت الأبحاث التي استخدمت المجهر الإلكتروني الماسح والمجهر الإلكتروني النافذ عن نتوءات هيكلية غير طبيعية تُشبه الخيوط البكتيرية، والتي يُعتقد أنها تُشارك في اختزال المعادن. وتغيب عملية إنتاج هذه الخيوط الخارجية تمامًا عن التنفس البكتيري التقليدي ، وهي محور العديد من الدراسات الحالية.

ترتبط الآليات الكامنة وراء مقاومة هذه البكتيريا لأيونات المعادن الثقيلة واستخدامها لها ارتباطًا وثيقًا بشبكة مساراتها الأيضية . وقد تبين أن ناقلات طرد الأدوية المتعددة، وبروتينات إزالة السموم، وعوامل سيجما خارج السيتوبلازم، ومنظمات نطاق PAS ، تتمتع بنشاط تعبيري أعلى في وجود المعادن الثقيلة. كما يُظهر بروتين السيتوكروم من الفئة c، SO3300، ارتفاعًا في معدل النسخ . ^{[ 5 ]} على سبيل المثال، عند اختزال اليورانيوم (VI)، تُستخدم سيتوكرومات خاصة مثل MtrC وOmcA لتكوين جسيمات نانوية _من UO2 وربطها بالبوليمرات الحيوية. ^{[ 6 ]}

في عام 2017، استخدم باحثون جزيئًا اصطناعيًا يُدعى DSFO+ لتعديل أغشية الخلايا في سلالتين متحورتين من بكتيريا شيوانيلا. استطاع DSFO+ أن يحل محل البروتينات الطبيعية الموصلة للتيار الكهربائي بشكل كامل، مما عزز الطاقة التي تولدها البكتيريا. كانت العملية تعديلًا كيميائيًا فقط، لم يُغير جينوم الكائن الحي، وانتشر بين ذرية البكتيريا، مما أدى إلى تخفيف تأثيره. ^{[ 7 ]}

الغشاء الرقيق هو نوع من الأغشية الحيوية التي تتشكل بين الهواء والسائل الذي تنمو فيه البكتيريا. ^{[ 8 ]} في الغشاء الحيوي، تتفاعل الخلايا البكتيرية مع بعضها البعض لحماية مجتمعها وتتعاون في عمليات الأيض ( المجتمعات الميكروبية ). ^{[ 9 ]} في بكتيريا S. oneidensis ، يُعد تكوين الغشاء الرقيق سمة مميزة ويرتبط بعملية اختزال المعادن الثقيلة. وقد خضع تكوين الغشاء الرقيق لدراسات مكثفة في هذا النوع. يتكون الغشاء الرقيق عادةً على ثلاث مراحل: تلتصق الخلايا بالسطح الثلاثي لجهاز الاستزراع، الهواء والسائل، ثم تُكوّن غشاءً حيويًا أحادي الطبقة من الخلايا الأولية، وتنضج لاحقًا إلى بنية ثلاثية الأبعاد معقدة. ^{[ 10 ]} في الغشاء الرقيق المتطور، يساعد عدد من المواد الموجودة بين الخلايا ( المواد البوليمرية خارج الخلوية ) في الحفاظ على مصفوفة الغشاء الرقيق. تتضمن عملية تكوين الغشاء الرقيق أنشطة ميكروبية كبيرة ومواد ذات صلة. تتطلب المواد البوليمرية خارج الخلوية (EPS) العديد من البروتينات والجزيئات الحيوية الكبيرة الأخرى .

تتطلب هذه العملية أيضًا العديد من الكاتيونات المعدنية. تُظهر اختبارات التحكم باستخدام EDTA واختبارات وجود/غياب الكاتيونات المكثفة أن الكالسيوم (Ca(II)) والمنغنيز (Mn(II)) والنحاس (Cu(II)) والزنك (Zn(II)) جميعها ضرورية لهذه العملية، وربما تعمل كجزء من إنزيم مساعد أو مجموعة اصطناعية. للمغنيسيوم (Mg(II)) تأثير جزئي، بينما يُثبط الحديد (Fe(II)) والحديد (Fe(III)) العملية بدرجة ما. يُعتقد أن الأسواط تُساهم في تكوين الغشاء الحيوي. يحتاج الغشاء الحيوي إلى خلايا بكتيرية لتتحرك بطريقة معينة، بينما تُعد الأسواط العضيات التي تُوفر الحركة. ^{[ 11 ]} لا تزال السلالات الطافرة التي تفتقر إلى الأسواط قادرة على تكوين الغشاء الحيوي، وإن كان ذلك بوتيرة أبطأ بكثير.

تستطيع بكتيريا شيوانيلا أونيدنسيس MR-1 تغيير حالة أكسدة المعادن. وتتيح هذه العمليات الميكروبية استكشاف تطبيقات جديدة، مثل التخليق الحيوي للمواد النانوية المعدنية . ^{[ 3 ]} وعلى عكس الطرق الكيميائية والفيزيائية، يمكن تحقيق عمليات التخليق الميكروبية للمواد النانوية في وسط مائي في ظل ظروف معتدلة وصديقة للبيئة. ويمكن استخدام العديد من الكائنات الحية لتخليق المواد النانوية المعدنية. وتستطيع بكتيريا شيوانيلا أونيدنسيس اختزال مجموعة متنوعة من أيونات المعادن خارج الخلية ، وهذا الإنتاج خارج الخلية يُسهّل بشكل كبير استخلاص المواد النانوية. وتُعد سلاسل نقل الإلكترون خارج الخلية المسؤولة عن نقل الإلكترونات عبر أغشية الخلايا موصوفة بشكل جيد نسبيًا، ولا سيما السيتوكرومات من النوع c في الغشاء الخارجي MtrC وOmcA. ^{[ 12 ]} وقد أشارت دراسة أجريت عام 2013 إلى إمكانية تغيير حجم الجسيمات ونشاط الجسيمات النانوية الحيوية خارج الخلية من خلال التعبير المُتحكم به عن الجينات التي تُشفّر البروتينات السطحية. من الأمثلة المهمة على ذلك تخليق جسيمات الفضة النانوية بواسطة بكتيريا S. oneidensis ، حيث يمكن التأثير على نشاطها المضاد للبكتيريا من خلال التعبير عن السيتوكرومات من النوع c في الغشاء الخارجي. تُعتبر جسيمات الفضة النانوية جيلاً جديداً من العوامل المضادة للميكروبات ، إذ تُظهر نشاطاً قاتلاً للجراثيم ضد طيف واسع من البكتيريا، وتكتسب أهمية متزايدة مع ازدياد مقاومة المضادات الحيوية بين البكتيريا الممرضة. ^{[ 3 ]} وقد لوحظ في المختبر أن بكتيريا Shewanella تُختزل بيولوجياً كمية كبيرة من البلاديوم وتُزيل الكلور من حوالي 70% من ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCBs). ^{[ 13 ]} يرتبط إنتاج الجسيمات النانوية بواسطة S. oneidensis MR-1 ارتباطاً وثيقاً بمسار MTR ^{[ 3 ]} (مثل جسيمات الفضة النانوية)، أو مسار الهيدروجيناز ^{[ 14 ]} (مثل جسيمات البلاديوم النانوية).

إن قدرة بكتيريا شيوانيلا أونيدنسيس على تقليل وامتصاص المعادن الثقيلة تجعلها مرشحة للاستخدام في معالجة مياه الصرف الصحي . ^{[ 7 ]}

قد يُمكّن DSFO+ البكتيريا من التواصل كهربائياً مع قطب كهربائي وتوليد الكهرباء في تطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي. ^{[ 7 ]}