Načrtovanje mikrobnih konzorcijev za izboljšanje biorudarstva in bioremediacije

From Wiki FKKT

Jump to: navigation, search

Contents

Mikrobni konzorciji

Mikrobni konzorciji predstavljajo skupine različnih vrst mikroorganizmov, ki živijo v simbiozi. V naravi omogočajo izvajanje številnih zahtevnih procesov, tudi takih ki so za človeka zelo pomembni (npr. remediacija okolja, čiščenje odpadnih voda, prebava hrane v črevesju)[1][2]. Človek je že zelo hitro začel tudi sam izkoriščati lastnosti naravnih konzorcijev in jih načrtno selekcionirati za uporabo pri procesiranju piva in fermentaciji vina, v današnjem času pa predvsem za pridobivanje biogoriva in kovin[1].

Razvoj sintezne biologije je omogočil načrtovanje genetsko identičnih populacij z lastnostmi, ki omogočajo štetje, spomin in tvorbo vzorcev in jih povezujemo z večceličnimi organizmi[1]. Sintetična genetska vezja so nam tako dala vpogled v evolucijo, delovanje in lastnosti naravnih genetskih vezij, na podlagi česar lahko načrtujemo nove, sintezne konzorcije, ki so zmožni vršiti še bolj zahtevne naloge kot monokulture[1][2]. Njihova uporaba bi tako lahko imela velik potencial na področju varovanja okolja, biomedicine in energetike[1].


Mikrobni konzorciji v biorudarstvu

Biološki procesi pri pridobivanju kovin

Biorudarstvo je pridobivanje dragih in vsakdanjih kovin iz mineralnih rud ter odpadnih materialov z uporabo mikroorganizmov[3]. Razdelimo ga lahko v dva ločena procesa, bioizluževanje in biooksidacijo. Bioizluževanje se uporablja za pridobivanje kovin, kot so kobalt, baker in nikelj, pri čemer rude s kovinami med samim procesom raztopimo. V drugih primerih, predvsem pri pridobivanju zlata in ostalih dragih kovin, pa uporabimo proces bioksidacije. Pri tem mikroorganizmi odstranijo obdajajoče minerale, medtem ko kovine ostanejo obogatene v trdni fazi[1][4].

Bioizluževanje in biooksidacija delujeta na podobnih principih in posledično uporabljata podobne konzorcije mikroorganizmov[4].Mikroorganizmi, ki omogočajo biorudarstvo, so večinoma avtotrofi, ki lahko preživijo v anorganskem in aerobnem okolju z nizkim pH, energijo pa pridobivajo z oksidacijo reduciranih oblik žveplovih in/ali železovih ionov[3].

Mikroorganizmi oksidirajo minerale na različne načine. Za bioizluževanje sta bila najprej predlagana dva mehanizma, direktni in indirektni, kasneje pa so dokazali, da poteka le po indirektnem[5]. Zanj je značilno, da mikroorganizmi oksidirajo Fe(II) ione do Fe(III) ionov, kar lahko poteka na dva načina[1]. Pri nekontaktnem načinu planktonski mikroorganizmi oksidirajo Fe(II) ione v vodni raztopini, ki nato napadejo mineralno površino. Pri kontaktnem načinu pa imamo majhen reakcijski prostor med mikroorganizmom in mineralom, kjer se železovi ioni najprej skoncentrirajo v biofilmih, nato pa napadejo mineralno površino[1]. Intermediati in končni produkti, ki nastanejo pri obeh načinih, so odvisni od rude, ki jo izlužujemo[1][3].

Komunikacija v naravnih biorudarskih konzorcijih

Da lahko mikroorganizmi učinkovito raztapljajo minerale, so se razvili različni načini medcelične komunikacije, ki vodijo v izražanje specifičnih genov, potrebnih za proces bioizluževanja. Najpomembnejši rezultat take komunikacije je tvorba biofilmov, ki je regulirana preko sistemov za zaznavanje celične gostote (ang. quorum sensing - QS)[6]. Zaznavanje celične gostote je proces, v katerem celice komunicirajo med seboj z izločanjem in zaznavanjem signalnih molekul, imenovanih avtoinduktorji, ki vplivajo na različne celične procese[7][8].

Največ raziskav tvorbe biofilmov je bilo narejenih na acidofilni, gram-negativni bakteriji Acidithiobacillus ferrooxidans, ki pridobiva energijo z oksidacijo železovih in žveplovih spojin ter je zato nekakšen modelni organizem za preučevanje bioizluževanja[1][9]. Bakterija ima dva različna sistema zaznavanja celične gostote; prvi deluje preko acil homoserin laktonov (AHL), avtoinduktorjev tipa 1 (AI-1), drugi pa preko poti c-di-GMP[1].

Molekule AHL nastanejo z AHL-sintazo, ki je pravzaprav zapisana na dveh različnih operonih, ki se izražata glede na različne okoljske signale[7]. Operon afeIR vsebuje gena afeI in afeR, ki delujeta na enak način kot sistem Lux[10]. AfeI je AHL sintaza, AfeR pa transkripcijski regulator, ki se v dimerni obliki veže na zaporedje Lux[9]. Drug operon vsebuje štiri gene, glyQ, glyS, gph in act, ki zapisujejo α in β podenoto glicin tRNA sintetaze, fosfatazo ter aciltransferazo (AHL sintazo)[7]. Za AfeI in AfeR je značilno, da se močneje izražata v prisotnosti žvepla, Act pa v prisotnosti železa, kar pojasnjuje dejstvo, da lahko A. ferrooxidans razgrajuje tako žveplove kot železove minerale[7].

Pot c-di-GMP v A. ferrooxidans je bila odkrita najkasneje, in sicer z analizo genomskega zaporedja pri preučevanju molekularnih mehanizmov tvorbe biofilmov[1][11]. V njej ima glavno vlogo ciklični dimerni GMP (c-di-GMP), sekundarni prenašalec, ki z vezavo na efektorske komponente regulira številne celične procese</ref>[12]. Med drugim vpliva na izločanje zunajceličnih polimernih spojin (EPS) ter sintezo pilusov in bičkov, s čimer določa življenjski stil bakterij (planktonski ali v biofilmih)[11][13].

Podobni mehanizmi komuniciranja so bili identificirani tudi v drugih vrstah bakterij (A. thiooxidans, A. caldus, A. ferrivorans, …), kar pomeni, da lahko med seboj komunicirajo celice istih ali različnih vrst bakterij[1][6].

Konzorciji naravnih in gensko spremenjenih bakterij

Uporaba mikroorganizmov pri pridobivanju kovin iz mineralnih rud oz. biorudarstvo se je v preteklih nekaj letih razvilo v uspešno in rastočo biotehnološko panogo, kljub temu pa je bila selekcija in spremljanje mikrobnih kultur za optimalno izluževanje minimalna[3]. Vprašanje torej ostaja, ali so trenutne mikrobne populacije v komercialnih postopkih dovolj primerne ali pa bi lahko z umetnim sestavljanjem bakterijskih sevov ustvarili še bolj učinkovite konzorcije[3].

Raziskave so pokazale, da imajo konzorciji različnih bakterij, ki se nahajajo v naravi, večjo sposobnost izluževanja kot čiste kulture[1]. Razlog je v sinergijskih učinkih posameznih vrst bakterij, ki imajo sicer različne funkcije, a skupaj omogočajo izvajanje večstopenjskih procesov[1]. Mešana kultura A. ferroxidans in A. thiooxidans je npr. veliko bolj učinkovita pri izluževanju kalkopirita (mineral CuFeS2), saj A. thiooxidans preprečuje nastajanje inhibitornih jarozitnih plasti, ki so pogosto posledica sprememb v redoks potencialu[1]. Kombinacija avtotrofnih mikroorganizmov s heterotrofnimi acidofili, ki so sposobni odstranjevanja organskih spojin, je prav tako pokazala hitrejše procese izluževanja[1]. Številni primeri mešanih kultur mikroorganizmov tako nakazujejo, da so prednosti konzorcijev pri biorudarstvu predvsem povečana produkcija kislin, izboljšano pritrjevanje na mineralne površine, povečana rast in raven izluževanja[1]. Pri tem ima pomembno vlogo medcelična komunikacija[2].

Načrtovanje definiranih konzorcijev nam torej odpira nove možnosti za učinkovitejše bioizluževanje[1]. Pri tem lahko uporabimo enega izmed dveh načinov, pristop od zgoraj navzdol (ang. top down) ali pa od spodaj navzgor (ang. bottom up)[3]. Pri prvem načinu imamo v izhodišču mešanico različnih mikroorganizmov, s katerimi inokuliramo testni material in gledamo, kateri izmed njih bodo vzpostavili stabilen in učinkovit konzorcij[3]. Drugi način se od prvega izrazito razlikuje, saj pri tem na podlagi laboratorijskih meritev sestavljamo logično načrtovane konzorcije za izluževanje točno določene rude[3].

Pri umetnem sestavljanju konzorcijev lahko tako uporabimo mikroorganizme, ki že obstajajo v naravi, ali pa jih gensko spremenimo. Zaenkrat je več zanimanja namenjeno naravnim mikroorganizmom, saj je načrtovanje takih konzorcijev precej lažje, obenem pa tudi ne potrebujejo posebnih regulatornih dovoljenj[1]. Načrtovanje konzorcijev z gensko spremenjenimi mikroorganizmi je na drugi strani povezano s precej več izzivi[1]. Najprej je potrebno razviti metode za uvajanje genskih sprememb v genome mikroorganizmov, ki se trenutno še ne uporabljajo v laboratorijih[1]2. Poleg tega je v konzorciju potrebno zagotoviti dolgotrajno homeostazo, izvajanje želenih mikrobnih funkcij kljub možnemu horizontalnemu prenosu genov in medcelično komunikacijo[2].

Mikrobni konzorciji v bioremediaciji AMD

Ena izmed glavnih posledic rudarstva je odtekanje zakisane vode iz kovinskih rud (ang. acid mine drainage – AMD), ki vsebuje velike količine železa, aluminija in mangana, pa tudi nekaj toksičnih snovi, kot so cianidi in težke kovine[1][14]. Do tega lahko pride, ko so sulfidni minerali, najpogosteje pirit (FeS2), izpostavljeni kisiku in vodi[15]. Če se torej odpadne vode, ki nastanejo v procesu izluževanja, pred izpustom v okolje ne očistijo, pride do onesnaženja vodnih poti, sprememb v biodiverziteti in ogroženosti človeškega zdravja[14].

AMD se večinoma preprečuje na dva načina, z nevtralizacijo odpadnih voda po izluževanju ali pa med procesom izluževanja[1]. V industriji se trenutno uporablja nevtralizacija z apnencem, ki je razmeroma drag proces, zaradi česar so mikroorganizmi, ki so zmožni bioizluževanja in tvorbe biofilmov, postali zanimiva tarča za nadzorovanje AMD[1].

Bioremediacijo AMD omogočajo mikroorganizmi, ki lahko imobilizirajo kovine in povišajo pH okolice[15]. Procesi, ki so za to potrebni, so večinoma redukcijski in zajemajo denitrifikacijo, amonifikacijo, metanogenezo ter redukcijo sulfata, železa in mangana[15].

Veliko pozornosti je poleg bioremediacije namenjeno tudi potencialnim načinom omejevanja AMD z uporabo mikroorganizmov. Eden izmed načinov je uporaba heterotrofnih acidofilov, ki obdajo pirit in tvorijo biofilm (ang. bioshrouding), pred dodatkom drugih bakterij. Na ta način se na odpadne minerale, ki nastanejo po raztapljanju rud pri bioizluževanju in ne vsebujejo kovin, ne morejo vezati kasneje dodani avtotrofni acidofili in z oksidiranjem železa povzročiti dodatne zakisanosti[16]. Drug potencialen način je uporaba evkariontskih organizmov (alge, glive), ki izločajo motilce QS, kar vodi v nepravilno medcelično signalizacijo in posledično moteno nastajanje biofilmov[1]. Tretji predlagan način je uporaba spremenjenih bakteriofagov in virusov, ki po okužbi celic prav tako ovirajo tvorbo biofilmov. Pri načrtovanju takih virusov je sicer potrebno paziti, da so le-ti zmožni obiti bakterijske obrambne mehanizme, kot je CRISPR/Cas[1].


Prihodnost mikrobnih konzorcijev

Možnost ustvarjanja in manipuliranja mikrobnih konzorcijev omogoča višjo raven pridobivanja kovin iz mineralnih rud v procesu biorudarstva v primerjavi s konzorciji, ki trenutno obstajajo v naravi[1]. Poleg tega lahko na ta način okarakteriziramo raznolike vrste v bioizluževalnih okoljih, ki imajo morda edinstvene metabolne in fiziološke lastnosti, a še niso bile predmet podrobnejših raziskav[1].

Glede na to, da lahko konzorciji opravljajo veliko bolj zahtevne naloge kot monokulture in lažje preživijo v spreminjajočih se pogojih, se bo njihova uporaba v prihodnosti zagotovo razširila tudi na nekatere druge industrijske panoge, okoljevarstvo in zdravstvo[1][2]. Predtem bo potrebno razviti še metode za stabilno transformacijo organizmov, ki so sicer manj dovzetni za gensko manipulacijo, ter izpopolniti medcelično komunikacijo za popolnoma usklajeno delovanje mešanih populacij[1][2].

Viri

  1. 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25 1.26 1.27 1.28 1.29 1.30 Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).
  2. 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Brenner, K., You, L. in Arnold, F. H. Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends Biotechnol. 26, 483–489 (2008).
  3. 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).
  4. 4.0 4.1 Johnson, D. B. Biomining—biotechnologies for extracting and recovering metals from ores and waste materials. Curr. Opin. Biotechnol. 30, 24–31 (2014).
  5. Brierley, C. L. in sod. Biomining. Theory, Microbes and Industrial Processes. (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1997). doi:10.1007/978-3-662-06111-4.
  6. 6.0 6.1 Ruiz, L. M. in sod. AHL communication is a widespread phenomenon in biomining bacteria and seems to be involved in mineral-adhesion efficiency. Hydrometallurgy 94, 133–137 (2008).
  7. 7.0 7.1 7.2 7.3 Rivas, M., Seeger, M., Jedlicki, E. in Holmes, D. S. Second Acyl Homoserine Lactone Production System in the Extreme Acidophile Acidithiobacillus ferrooxidans. Appl. Environ. Microbiol. 73, 3225–3231 (2007).
  8. Keller, L. in Surette, M. G. Communication in bacteria: an ecological and evolutionary perspective. Nat. Rev. Microbiol. 4, 249–258 (2006).
  9. 9.0 9.1 Farah, C. in sod. Evidence for a functional quorum-sensing type AI-1 system in the extremophilic bacterium Acidithiobacillus ferrooxidans. Appl. Environ. Microbiol. 71, 7033–7040 (2005).
  10. Rivas, M., Seeger, M., Holmes, D. S. in Jedlicki, E. A Lux-like quorum sensing system in the extreme acidophile Acidithiobacillus ferrooxidans. Biol. Res. 38, 283–297 (2005).
  11. 11.0 11.1 Ruiz, L. M., Castro, M., Barriga, A., Jerez, C. A. in Guiliani, N. The extremophile Acidithiobacillus ferrooxidans possesses a c-di-GMP signalling pathway that could play a significant role during bioleaching of minerals. Lett. Appl. Microbiol. 54, 133–139 (2012).
  12. Hengge, R. Principles of c-di-GMP signalling in bacteria. Nat. Rev. Microbiol. 7, 263–273 (2009).
  13. Tamayo, R. The characterization of a cyclic-Di-GMP (c-Di-GMP) pathway leads to a new tool for studying c-Di-GMP metabolic genes. J. Bacteriol. 195, 4779–4781 (2013).
  14. 14.0 14.1 Akcil, A. in Koldas, S. Acid Mine Drainage (AMD): causes, treatment and case studies. J. Clean. Prod. 14, 1139–1145 (2006).
  15. 15.0 15.1 15.2 Johnson, D. B. in Hallberg, K. B. Acid mine drainage remediation options: A review. Sci. Total Environ. 338, 3–14 (2005).
  16. Johnson, D. B., Yajie, L. in Okibe, N. ‘Bioshrouding’: a novel approach for securing reactive mineral tailings. Biotechnol. Lett. 30, 445–449 (2008).
Personal tools