Načrtovanje mikrobnih konzorcijev za izboljšanje biorudarstva in bioremediacije: Difference between revisions
No edit summary |
No edit summary |
||
| Line 1: | Line 1: | ||
=='''Mikrobni konzorciji'''== | =='''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)<ref name="ref1">Brune, K. D. | 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)<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref2">Brenner, K., You, L. in Arnold, F. H. Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends Biotechnol. 26, 483–489 (2008).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. | ||
Razvoj sintezne biologije je omogočil načrtovanje genetsko identičnih populacij z lastnostmi, ki omogočajo štetje, spomin in tvorbo vzorcev in jih povezujemo z večceličnimi organizmi<ref name="ref1">Brune, K. D. | Razvoj sintezne biologije je omogočil načrtovanje genetsko identičnih populacij z lastnostmi, ki omogočajo štetje, spomin in tvorbo vzorcev in jih povezujemo z večceličnimi organizmi<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. & Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref2">Brenner, K., You, L. in Arnold, F. H. Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends Biotechnol. 26, 483–489 (2008).</ref>. Njihova uporaba bi tako lahko imela velik potencial na področju varovanja okolja, biomedicine in energetike<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. | ||
| Line 9: | Line 9: | ||
===Biološki procesi pri pridobivanju kovin=== | ===Biološki procesi pri pridobivanju kovin=== | ||
Biorudarstvo je pridobivanje dragih in vsakdanjih kovin iz mineralnih rud ter odpadnih materialov z uporabo mikroorganizmov<ref name="ref3">Rawlings, D. E. | Biorudarstvo je pridobivanje dragih in vsakdanjih kovin iz mineralnih rud ter odpadnih materialov z uporabo mikroorganizmov<ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref4">Johnson, D. B. Biomining—biotechnologies for extracting and recovering metals from ores and waste materials. Curr. Opin. Biotechnol. 30, 24–31 (2014).</ref>. | ||
Bioizluževanje in biooksidacija delujeta na podobnih principih in posledično uporabljata podobne konzorcije mikroorganizmov<ref name="ref4">Johnson, D. B. Biomining—biotechnologies for extracting and recovering metals from ores and waste materials. Curr. Opin. Biotechnol. 30, 24–31 (2014).</ref>.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<ref name="ref3">Rawlings, D. E. | Bioizluževanje in biooksidacija delujeta na podobnih principih in posledično uporabljata podobne konzorcije mikroorganizmov<ref name="ref4">Johnson, D. B. Biomining—biotechnologies for extracting and recovering metals from ores and waste materials. Curr. Opin. Biotechnol. 30, 24–31 (2014).</ref>.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<ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>. | ||
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<ref name="ref5">Brierley, C. L. | 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<ref name="ref5">Brierley, C. L. in sod. Biomining. Theory, Microbes and Industrial Processes. (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1997). doi:10.1007/978-3-662-06111-4.</ref>. Zanj je značilno, da mikroorganizmi oksidirajo Fe2+ ione do Fe3+ ionov, kar lahko poteka na dva načina<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Pri nekontaktnem načinu planktonski mikroorganizmi oksidirajo Fe2+ 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Intermediati in končni produkti, ki nastanejo pri obeh načinih, so odvisni od rude, ki jo izlužujemo<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>. | ||
===Komunikacija v naravnih biorudarskih konzorcijih=== | ===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)<ref name="ref6">Ruiz, L. M. | 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)<ref name="ref6">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).</ref>. 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<ref name="ref7">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).</ref><ref name="ref8">Keller, L. in Surette, M. G. Communication in bacteria: an ecological and evolutionary perspective. Nat. Rev. Microbiol. 4, 249–258 (2006).</ref>. | ||
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<ref name="ref1">Brune, K. D. | 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref9">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).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. | ||
Molekule AHL nastanejo z AHL-sintazo, ki je pravzaprav zapisana na dveh različnih operonih, ki se izražata glede na različne okoljske signale<ref name="ref7">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).</ref>. Operon afeIR vsebuje gena ''afeI'' in ''afeR'', ki delujeta na enak način kot sistem Lux<ref name="ref10">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).</ref>. AfeI je AHL sintaza, AfeR pa transkripcijski regulator, ki se v dimerni obliki veže na zaporedje Lux<ref name="ref9">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).</ref>. Drug operon vsebuje štiri gene, ''glyQ'', ''glyS'', ''gph'' in ''act'', ki zapisujejo α in β podenoto glicin tRNA sintetaze, fosfatazo ter aciltransferazo (AHL sintazo)<ref name="ref7">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).</ref>. 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<ref name="ref7">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).</ref>. | Molekule AHL nastanejo z AHL-sintazo, ki je pravzaprav zapisana na dveh različnih operonih, ki se izražata glede na različne okoljske signale<ref name="ref7">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).</ref>. Operon afeIR vsebuje gena ''afeI'' in ''afeR'', ki delujeta na enak način kot sistem Lux<ref name="ref10">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).</ref>. AfeI je AHL sintaza, AfeR pa transkripcijski regulator, ki se v dimerni obliki veže na zaporedje Lux<ref name="ref9">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).</ref>. Drug operon vsebuje štiri gene, ''glyQ'', ''glyS'', ''gph'' in ''act'', ki zapisujejo α in β podenoto glicin tRNA sintetaze, fosfatazo ter aciltransferazo (AHL sintazo)<ref name="ref7">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).</ref>. 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<ref name="ref7">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).</ref>. | ||
Pot c-di-GMP v ''A. ferrooxidans'' je bila odkrita najkasneje, in sicer z analizo genomskega zaporedja pri preučevanju molekularnih mehanizmov tvorbe biofilmov<ref name="ref1">Brune, K. D. | Pot c-di-GMP v ''A. ferrooxidans'' je bila odkrita najkasneje, in sicer z analizo genomskega zaporedja pri preučevanju molekularnih mehanizmov tvorbe biofilmov<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref11">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).</ref>. V njej ima glavno vlogo ciklični dimerni GMP (c-di-GMP), sekundarni prenašalec, ki z vezavo na efektorske komponente regulira številne celične procese</ref><ref name="ref12">Hengge, R. Principles of c-di-GMP signalling in bacteria. Nat. Rev. Microbiol. 7, 263–273 (2009).</ref>. Med drugim vpliva na izločanje zunajceličnih polimernih spojin (EPS) ter sintezo pilusov in bičkov, s čimer določa življenjski stil bakterij (planktonski ali v biofilmih)<ref name="ref11">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).</ref><ref name="ref13">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).</ref>. | ||
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<ref name="ref1">Brune, K. D. | 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref6">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).</ref>. | ||
===Konzorciji naravnih in gensko spremenjenih bakterij=== | ===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<ref name="ref3">Rawlings, D. E. | 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<ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>. 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<ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>. | ||
Raziskave so pokazale, da imajo konzorciji različnih bakterij, ki se nahajajo v naravi, večjo sposobnost izluževanja kot čiste kulture<ref name="ref1">Brune, K. D. | Raziskave so pokazale, da imajo konzorciji različnih bakterij, ki se nahajajo v naravi, večjo sposobnost izluževanja kot čiste kulture<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Razlog je v sinergijskih učinkih posameznih vrst bakterij, ki imajo sicer različne funkcije, a skupaj omogočajo izvajanje večstopenjskih procesov<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Kombinacija avtotrofnih mikroorganizmov s heterotrofnimi acidofili, ki so sposobni odstranjevanja organskih spojin, je prav tako pokazala hitrejše procese izluževanja<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Pri tem ima pomembno vlogo medcelična komunikacija<ref name="ref2">Brenner, K., You, L. in Arnold, F. H. Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends Biotechnol. 26, 483–489 (2008).</ref>. | ||
Načrtovanje definiranih konzorcijev nam torej odpira nove možnosti za učinkovitejše bioizluževanje<ref name="ref1">Brune, K. D. | Načrtovanje definiranih konzorcijev nam torej odpira nove možnosti za učinkovitejše bioizluževanje<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Pri tem lahko uporabimo enega izmed dveh načinov, pristop od zgoraj navzdol (ang. top down) ali pa od spodaj navzgor (ang. bottom up)<ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>. 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<ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>. Drugi način se od prvega izrazito razlikuje, saj pri tem na podlagi laboratorijskih meritev sestavljamo logično načrtovane konzorcije za izluževanje točno določene rude<ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>. | ||
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<ref name="ref1">Brune, K. D. | 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Načrtovanje konzorcijev z gensko spremenjenimi mikroorganizmi je na drugi strani povezano s precej več izzivi<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Najprej je potrebno razviti metode za uvajanje genskih sprememb v genome mikroorganizmov, ki se trenutno še ne uporabljajo v laboratorijih<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>2. Poleg tega je v konzorciju potrebno zagotoviti dolgotrajno homeostazo, izvajanje želenih mikrobnih funkcij kljub možnemu horizontalnemu prenosu genov in medcelično komunikacijo<ref name="ref2">Brenner, K., You, L. in Arnold, F. H. Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends Biotechnol. 26, 483–489 (2008).</ref>. | ||
=='''Mikrobni konzorciji v bioremediaciji AMD'''== | =='''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<ref name="ref1">Brune, K. D. | 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref14">Akcil, A. in Koldas, S. Acid Mine Drainage (AMD): causes, treatment and case studies. J. Clean. Prod. 14, 1139–1145 (2006).</ref>. Do tega lahko pride, ko so sulfidni minerali, najpogosteje pirit (FeS2), izpostavljeni kisiku in vodi<ref name="ref15">Johnson, D. B. in Hallberg, K. B. Acid mine drainage remediation options: A review. Sci. Total Environ. 338, 3–14 (2005).</ref>. 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<ref name="ref14">Akcil, A. in Koldas, S. Acid Mine Drainage (AMD): causes, treatment and case studies. J. Clean. Prod. 14, 1139–1145 (2006).</ref>. | ||
AMD se večinoma preprečuje na dva načina, z nevtralizacijo odpadnih voda po izluževanju ali pa med procesom izluževanja<ref name="ref1">Brune, K. D. | AMD se večinoma preprečuje na dva načina, z nevtralizacijo odpadnih voda po izluževanju ali pa med procesom izluževanja<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. | ||
Bioremediacijo AMD omogočajo mikroorganizmi, ki lahko imobilizirajo kovine in povišajo pH okolice<ref name="ref15">Johnson, D. B. in Hallberg, K. B. Acid mine drainage remediation options: A review. Sci. Total Environ. 338, 3–14 (2005).</ref>. Procesi, ki so za to potrebni, so večinoma redukcijski in zajemajo denitrifikacijo, amonifikacijo, metanogenezo ter redukcijo sulfata, železa in mangana<ref name="ref15">Johnson, D. B. in Hallberg, K. B. Acid mine drainage remediation options: A review. Sci. Total Environ. 338, 3–14 (2005).</ref>. | Bioremediacijo AMD omogočajo mikroorganizmi, ki lahko imobilizirajo kovine in povišajo pH okolice<ref name="ref15">Johnson, D. B. in Hallberg, K. B. Acid mine drainage remediation options: A review. Sci. Total Environ. 338, 3–14 (2005).</ref>. Procesi, ki so za to potrebni, so večinoma redukcijski in zajemajo denitrifikacijo, amonifikacijo, metanogenezo ter redukcijo sulfata, železa in mangana<ref name="ref15">Johnson, D. B. in Hallberg, K. B. Acid mine drainage remediation options: A review. Sci. Total Environ. 338, 3–14 (2005).</ref>. | ||
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<ref name="ref16">Johnson, D. B., Yajie, L. in Okibe, N. ‘Bioshrouding’: a novel approach for securing reactive mineral tailings. Biotechnol. Lett. 30, 445–449 (2008).</ref>. Drug potencialen način je uporaba evkariontskih organizmov (alge, glive), ki izločajo motilce QS, kar vodi v nepravilno medcelično signalizacijo in posledično moteno nastajanje biofilmov<ref name="ref1">Brune, K. D. | 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<ref name="ref16">Johnson, D. B., Yajie, L. in Okibe, N. ‘Bioshrouding’: a novel approach for securing reactive mineral tailings. Biotechnol. Lett. 30, 445–449 (2008).</ref>. Drug potencialen način je uporaba evkariontskih organizmov (alge, glive), ki izločajo motilce QS, kar vodi v nepravilno medcelično signalizacijo in posledično moteno nastajanje biofilmov<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. | ||
=='''Prihodnost mikrobnih konzorcijev'''== | =='''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<ref name="ref1">Brune, K. D. | 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. | ||
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<ref name="ref1">Brune, K. D. | 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref2">Brenner, K., You, L. in Arnold, F. H. Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends Biotechnol. 26, 483–489 (2008).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref2">Brenner, K., You, L. in Arnold, F. H. Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends Biotechnol. 26, 483–489 (2008).</ref>. | ||
== Viri == | == Viri == | ||
<references/> | |||
Revision as of 17:00, 14 December 2015
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)<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref2">Brenner, K., You, L. in Arnold, F. H. Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends Biotechnol. 26, 483–489 (2008).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>.
Razvoj sintezne biologije je omogočil načrtovanje genetsko identičnih populacij z lastnostmi, ki omogočajo štetje, spomin in tvorbo vzorcev in jih povezujemo z večceličnimi organizmi<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. & Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref2">Brenner, K., You, L. in Arnold, F. H. Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends Biotechnol. 26, 483–489 (2008).</ref>. Njihova uporaba bi tako lahko imela velik potencial na področju varovanja okolja, biomedicine in energetike<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>.
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<ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref4">Johnson, D. B. Biomining—biotechnologies for extracting and recovering metals from ores and waste materials. Curr. Opin. Biotechnol. 30, 24–31 (2014).</ref>.
Bioizluževanje in biooksidacija delujeta na podobnih principih in posledično uporabljata podobne konzorcije mikroorganizmov<ref name="ref4">Johnson, D. B. Biomining—biotechnologies for extracting and recovering metals from ores and waste materials. Curr. Opin. Biotechnol. 30, 24–31 (2014).</ref>.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<ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>.
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<ref name="ref5">Brierley, C. L. in sod. Biomining. Theory, Microbes and Industrial Processes. (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1997). doi:10.1007/978-3-662-06111-4.</ref>. Zanj je značilno, da mikroorganizmi oksidirajo Fe2+ ione do Fe3+ ionov, kar lahko poteka na dva načina<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Pri nekontaktnem načinu planktonski mikroorganizmi oksidirajo Fe2+ 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Intermediati in končni produkti, ki nastanejo pri obeh načinih, so odvisni od rude, ki jo izlužujemo<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>.
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)<ref name="ref6">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).</ref>. 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<ref name="ref7">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).</ref><ref name="ref8">Keller, L. in Surette, M. G. Communication in bacteria: an ecological and evolutionary perspective. Nat. Rev. Microbiol. 4, 249–258 (2006).</ref>.
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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref9">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).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>.
Molekule AHL nastanejo z AHL-sintazo, ki je pravzaprav zapisana na dveh različnih operonih, ki se izražata glede na različne okoljske signale<ref name="ref7">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).</ref>. Operon afeIR vsebuje gena afeI in afeR, ki delujeta na enak način kot sistem Lux<ref name="ref10">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).</ref>. AfeI je AHL sintaza, AfeR pa transkripcijski regulator, ki se v dimerni obliki veže na zaporedje Lux<ref name="ref9">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).</ref>. Drug operon vsebuje štiri gene, glyQ, glyS, gph in act, ki zapisujejo α in β podenoto glicin tRNA sintetaze, fosfatazo ter aciltransferazo (AHL sintazo)<ref name="ref7">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).</ref>. 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<ref name="ref7">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).</ref>.
Pot c-di-GMP v A. ferrooxidans je bila odkrita najkasneje, in sicer z analizo genomskega zaporedja pri preučevanju molekularnih mehanizmov tvorbe biofilmov<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref11">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).</ref>. V njej ima glavno vlogo ciklični dimerni GMP (c-di-GMP), sekundarni prenašalec, ki z vezavo na efektorske komponente regulira številne celične procese</ref><ref name="ref12">Hengge, R. Principles of c-di-GMP signalling in bacteria. Nat. Rev. Microbiol. 7, 263–273 (2009).</ref>. Med drugim vpliva na izločanje zunajceličnih polimernih spojin (EPS) ter sintezo pilusov in bičkov, s čimer določa življenjski stil bakterij (planktonski ali v biofilmih)<ref name="ref11">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).</ref><ref name="ref13">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).</ref>.
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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref6">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).</ref>.
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<ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>. 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<ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>.
Raziskave so pokazale, da imajo konzorciji različnih bakterij, ki se nahajajo v naravi, večjo sposobnost izluževanja kot čiste kulture<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Razlog je v sinergijskih učinkih posameznih vrst bakterij, ki imajo sicer različne funkcije, a skupaj omogočajo izvajanje večstopenjskih procesov<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Kombinacija avtotrofnih mikroorganizmov s heterotrofnimi acidofili, ki so sposobni odstranjevanja organskih spojin, je prav tako pokazala hitrejše procese izluževanja<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Pri tem ima pomembno vlogo medcelična komunikacija<ref name="ref2">Brenner, K., You, L. in Arnold, F. H. Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends Biotechnol. 26, 483–489 (2008).</ref>.
Načrtovanje definiranih konzorcijev nam torej odpira nove možnosti za učinkovitejše bioizluževanje<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Pri tem lahko uporabimo enega izmed dveh načinov, pristop od zgoraj navzdol (ang. top down) ali pa od spodaj navzgor (ang. bottom up)<ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>. 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<ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>. Drugi način se od prvega izrazito razlikuje, saj pri tem na podlagi laboratorijskih meritev sestavljamo logično načrtovane konzorcije za izluževanje točno določene rude<ref name="ref3">Rawlings, D. E. in Johnson, D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology 153, 315–324 (2007).</ref>.
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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Načrtovanje konzorcijev z gensko spremenjenimi mikroorganizmi je na drugi strani povezano s precej več izzivi<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. Najprej je potrebno razviti metode za uvajanje genskih sprememb v genome mikroorganizmov, ki se trenutno še ne uporabljajo v laboratorijih<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>2. Poleg tega je v konzorciju potrebno zagotoviti dolgotrajno homeostazo, izvajanje želenih mikrobnih funkcij kljub možnemu horizontalnemu prenosu genov in medcelično komunikacijo<ref name="ref2">Brenner, K., You, L. in Arnold, F. H. Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends Biotechnol. 26, 483–489 (2008).</ref>.
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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref14">Akcil, A. in Koldas, S. Acid Mine Drainage (AMD): causes, treatment and case studies. J. Clean. Prod. 14, 1139–1145 (2006).</ref>. Do tega lahko pride, ko so sulfidni minerali, najpogosteje pirit (FeS2), izpostavljeni kisiku in vodi<ref name="ref15">Johnson, D. B. in Hallberg, K. B. Acid mine drainage remediation options: A review. Sci. Total Environ. 338, 3–14 (2005).</ref>. 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<ref name="ref14">Akcil, A. in Koldas, S. Acid Mine Drainage (AMD): causes, treatment and case studies. J. Clean. Prod. 14, 1139–1145 (2006).</ref>.
AMD se večinoma preprečuje na dva načina, z nevtralizacijo odpadnih voda po izluževanju ali pa med procesom izluževanja<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>.
Bioremediacijo AMD omogočajo mikroorganizmi, ki lahko imobilizirajo kovine in povišajo pH okolice<ref name="ref15">Johnson, D. B. in Hallberg, K. B. Acid mine drainage remediation options: A review. Sci. Total Environ. 338, 3–14 (2005).</ref>. Procesi, ki so za to potrebni, so večinoma redukcijski in zajemajo denitrifikacijo, amonifikacijo, metanogenezo ter redukcijo sulfata, železa in mangana<ref name="ref15">Johnson, D. B. in Hallberg, K. B. Acid mine drainage remediation options: A review. Sci. Total Environ. 338, 3–14 (2005).</ref>.
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<ref name="ref16">Johnson, D. B., Yajie, L. in Okibe, N. ‘Bioshrouding’: a novel approach for securing reactive mineral tailings. Biotechnol. Lett. 30, 445–449 (2008).</ref>. Drug potencialen način je uporaba evkariontskih organizmov (alge, glive), ki izločajo motilce QS, kar vodi v nepravilno medcelično signalizacijo in posledično moteno nastajanje biofilmov<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>.
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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref>.
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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref2">Brenner, K., You, L. in Arnold, F. H. Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends Biotechnol. 26, 483–489 (2008).</ref>. 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<ref name="ref1">Brune, K. D. in Bayer, T. S. Engineering microbial consortia to enhance biomining and bioremediation. Front. Microbiol. 3, 1–6 (2012).</ref><ref name="ref2">Brenner, K., You, L. in Arnold, F. H. Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends Biotechnol. 26, 483–489 (2008).</ref>.
Viri
<references/>
