Bir robot, bir jel tabakasından toplu iğne başı büyüklüğünde parçalar çıkarıyor. Dar mavi bantlar, bir bakteri kültüründen proteinler içerir. Akabinde minik jel parçalarının içerdiği proteinler daha detaylı bir şekilde sıralanacaktır. Kredi: University of Oldenburg/Mohssen Assanimoghaddam
Kapsamlı bir metabolizma anlayışı, çok önemli bir çevresel mikrobun büyümesinin tahmin edilmesini sağlar.
Mikrobiyolog Profesör Ralf Rabus liderliğindeki bir grup Oldenburg Üniversitesi’nde ve Ph.D. öğrenci Patrick Becker, yaygın bir çevresel bakterinin hücresel süreçlerini anlamada önemli ilerlemeler kaydetti. Ekip, Aromatoleum aromaticum EbN1T bakteri türünün tüm metabolik ağının kapsamlı bir analizini gerçekleştirdi ve bulguları, bu mikropların çeşitli çevresel koşullarda büyümesini tahmin etmelerine olanak tanıyan bir metabolik model oluşturmak için kullandı.
Göre Araştırmacılar, mSystems dergisindeki raporlarında, bakterilerin değişken çevre koşullarına uyum sağlamasını sağlayan şaşırtıcı mekanizmaları ortaya çıkardılar. Bu sonuçlar, önemli bir çevresel bakteri grubunun temsilcisi olarak Aromatoleum suşunun model bir organizma görevi görebileceği ekosistemlerin incelenmesi için çok önemlidir. Bulgular ayrıca kirlenmiş alanların temizlenmesi ve biyoteknolojik uygulamalar için de çıkarımlara sahip olabilir.
Araştırılan bakteri türü, parçalanması zor olan ve genellikle toprakta ve su birikintilerinde bulunan organik maddelerin kullanımında uzmanlaşmıştır. Mikroplar, oksijen, düşük oksijen ve oksijensiz katmanlar dahil olmak üzere çeşitli koşullarda gelişirler ve ayrıca besin alımı açısından son derece çok yönlüdürler. Ahşapta bulunan ana yapısal malzeme olan lignin bileşenleri ve uzun ömürlü kirleticiler ve petrol bileşenleri gibi oldukça kararlı, doğal olarak oluşan maddeler dahil 40’tan fazla farklı organik bileşiği metabolize ederler.
{11 Doktora öğrenci Patrick Becker, dikkatli laboratuvar çalışmaları sayesinde Aromatoleum aromaticum bakterisinin metabolizması hakkında bütünsel bir anlayış kazandı. Kredi: Oldenburg Üniversitesi
Özel yeteneklere sahip bir mikrop
Özellikle, aromatik bileşikler olarak bilinen, altı karbon atomundan oluşan benzen halkasına sahip maddeler bu mikroplar tarafından biyolojik olarak parçalanabilir – oksijen yardımı olsun veya olmasın. Bu yetenekleri nedeniyle, Aromatoleum toprak ve tortulardaki organik bileşiklerin tamamen karbondioksite ayrışmasında önemli bir çevresel rol oynar; bu süreç aynı zamanda biyolojik toprak ıslahında da yararlıdır.
Mevcut çalışmanın amacı şuydu: bu tek hücreli organizmanın işleyişi hakkında bütünsel bir anlayış kazanmak. Bu amaçla, araştırmacılar mikropları hem oksik hem de anoksik koşullar altında – yani oksijenli ve oksijensiz – beş farklı besin substratı kullanarak yetiştirdiler. Bu on farklı büyüme koşulunun her biri için 25 kültür büyüttüler ve daha sonra bir hücrede kopyalanan tüm genlerin, üretilen tüm proteinlerin ve tüm metabolik ürünleri.
Aromatoleum aromaticum EbN1T bakterisi (altta siyahla gösterilmiştir) biyotik ve abiyotik ortamla birçok şekilde etkileşime girer: antropojenik girdi, diğer mikroorganizmaların etkinliği ve doğadaki süreçler, bakterinin besin olarak kullandığı farklı organik maddeler (farklı renkli noktalar) üretir. Aynı zamanda bu maddeler diğer mikroorganizmalar tarafından da kullanılır (gıda rekabeti). Bakteri hücresindeki metabolik ağ, maddeleri farklı yollarla dönüştürür ve bozar (solda). Hücre sırayla büyüme için ihtiyaç duyduğu DNA, proteinler, şeker bileşikleri veya lipitler (sağda) gibi yapı malzemeleri üretir. Hücre, çevresel koşullara bağlı olarak, görüntünün en solunda gösterilen oksijen veya nitrat (NO3-) yardımıyla enerji elde eder. Kredi: Ralf Rabus ve Patrick Becker/Oldenburg Üniversitesi
Sistem biyolojisi yaklaşımı
“Bu sistem biyolojisi yaklaşımıyla, bir organizmanın tüm iç işleyişi hakkında derin bir anlayış kazanırsınız, ” diye açıklıyor Oldenburg Üniversitesi Deniz Çevresi Kimya ve Biyoloji Enstitüsü’nde (ICBM) Genel ve Moleküler Mikrobiyoloji araştırma grubunun başkanı olan Rabus. “Bakteriyi ayrı bileşenlerine ayırıyorsunuz ve sonra onları yeniden bir araya getirebiliyorsunuz – bir kültürün ne kadar hızlı büyüyeceğini ve ne kadar biyokütle üreteceğini tahmin eden bir modelde.”
Titiz çalışmaları sayesinde, araştırmacılar, bu bakteri türünün metabolik reaksiyonları hakkında kapsamlı bir anlayış elde ettiler. Bozunma süreçlerine yaklaşık 200 genin dahil olduğunu buldular ve hangi enzimlerin besin olarak eklenen maddeleri parçaladığını ve çeşitli besinlerin hangi ara maddeler aracılığıyla parçalandığını belirlediler. Bilim adamları, metabolik ağ hakkındaki bulgularını bir büyüme modeline dahil ettiler ve model tahminlerinin büyük ölçüde ölçülen verilere karşılık geldiğini gösterdiler.
“Artık organizmayı, şimdiye kadar yalnızca tanımlanmış bir kesinlik düzeyiyle tanımlayabiliyoruz. çok az başka bakteri ile mümkün oldu,” diyor Rabus. Bakterilerin hücresel iç işleyişine ilişkin bu bütünsel bakış, analiz edilen suş (ve ilgili bakteriler) ile onların biyotik ve abiyotik ortamları arasındaki etkileşimlerin daha iyi anlaşılması için temel oluşturduğunu ve ayrıca bilim adamlarının bunların aktivitesini daha iyi tahmin etmesine yardımcı olabileceğini ekliyor. kirlenmiş topraklardaki tek hücreli organizmalar ve böylece, örneğin kirlenmiş bir bölgenin iyileştirilmesi için en uygun koşulları belirler.
Şaşırtıcı bir enerji israfı
Ekip, farklı yöntemleri birleştirerek Bu bakterilerin metabolizmasındaki beklenmedik mekanizmaları ortaya çıkarmak. Mikropların belirli büyüme koşulları altında kullanamayacakları -ilk bakışta gereksiz bir enerji harcaması gibi görünen- birkaç enzim ürettiğinin ortaya çıkması araştırmacıları çok şaşırttı. Rabus, “Genellikle bakteri hücreleri çevrelerinde oksijen bulunup bulunmadığını algılar ve ardından belirli mekanizmalar aracılığıyla, karşılık gelen enzimlerle yalnızca besine özgü metabolik yolu etkinleştirir,” diye açıklıyor.
Ancak bazı substratlarda mikrop, oksijen seviyelerinden bağımsız olarak aerobik ve anaerobik bozunma yolları için tüm enzimleri üretti – bu enzimlerin bazıları tamamen gereksiz olsa da. Rabus, bu apaçık israfın aslında istikrarsız bir ortamda hayatta kalma stratejisi olduğundan şüpheleniyor: “Oksijen seviyeleri aniden dalgalansa bile – ki bu genellikle doğal ortamlarda olur – Aromatoleum esnek kalır ve bu besini kullanabilir ve gerektiği gibi enerji üretebilir.” mikrobiyolog, şimdiye kadar başka hiçbir bakterinin böyle bir mekanizmayı kullandığının bilinmediğini ekleyerek açıklıyor.
Referans: “Systems Biology of Aromatic Compound Catabolism in Facultative Anaerobic Aromatoleum aromaticum EbN1T”, yazan Patrick Becker, Sarah Kirstein, Daniel Wünsch, Julia Koblitz, Ramona Buschen, Lars Wöhlbrand, Boyke Bunk ve Ralf Rabus, 29 Kasım 2022, mSystems.
DOI: 10.1128/msystems.00685-22