Πληροφορίες

Μπορούν τα βακτήρια να μεταβολίσουν τα λιπαρά οξέα για καύσιμο;

Μπορούν τα βακτήρια να μεταβολίσουν τα λιπαρά οξέα για καύσιμο;


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Δεν είμαι μικροβιολόγος, αλλά μάλλον φυσιολόγος περίεργος για τον μικροβιακό μεταβολισμό. Όπως και τα ανθρώπινα βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιήσουν γλυκόζη, αλλά όταν πρόκειται για λιπαρά οξέα μακράς αλυσίδας, μεσαίας ή βραχείας αλυσίδας, ποιες είναι οι διαδρομές που χρησιμοποιούν τα μικρόβια για να διασπάσουν αυτές τις ενώσεις ως καύσιμο;

Φαίνεται εύλογο ότι τα βακτήρια μπορούν να προσλάβουν λιπαρά οξέα μικρής αλυσίδας, αλλά με είδη μεγαλύτερης αλυσίδας υπάρχουν εμπόδια στην πρόσληψη; Είναι τα οξειδωτικά ένζυμα παρόμοια μεταξύ των βακτηρίων και των ανθρώπων;


Βρήκα αυτήν την κριτική σχετικά με τον μεταβολισμό των βακτηριακών λιπιδίων. Εκεί λέει:

Τα εξωγενή μακράς αλυσίδας λιπαρά οξέα χρησιμοποιούνται από το E. coli με δύο τρόπους. Πρώτον, μπορούν να ενσωματωθούν στα φωσφολιπίδια της μεμβράνης μέσω του συστήματος ακυλοτρανσφεράσης (PlsB και PlsC, Ενότητα 4). Δεύτερον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως η μόνη πηγή άνθρακα για ανάπτυξη και είναι στην πραγματικότητα μια σημαντική πηγή ενέργειας για το E. coli στο φυσιολογικό τους περιβάλλον, το έντερο [16]. Ο θειοεστέρας CoA του λιπαρού οξέος είναι το υπόστρωμα και για τις δύο αυτές οδούς. Τα λιπαρά οξέα μεγαλύτερα από 10 άνθρακες σε μήκος απαιτούν το γονίδιο fadL να ληφθεί από το μέσο ανάπτυξης σε επαρκείς ποσότητες για να υποστηρίξει την ανάπτυξη.

Έτσι, ναι, τα βακτήρια μπορούν να αναπτυχθούν μόνο σε λιπαρά οξέα και μπορούν να χρησιμοποιήσουν μακρά λιπαρά οξέα ως πηγή ενέργειας. Ωστόσο, η πρόσληψη των μακρών λιπαρών οξέων απαιτεί την πρωτεΐνη που παράγεται από το γονίδιο fadL.


Ήθελα να ξεκινήσω προσπαθώντας να καταλάβω αν υπήρχαν περιορισμοί στον μεταβολισμό των λιπαρών οξέων.

Υπάρχουν αερόβια βακτήρια που μπορούν να μειώσουν τα λιπαρά οξέα. Ωστόσο, δεν υπάρχουν βακτήρια που να μειώνουν τα λιπαρά οξέα χωρίς κανένα οξυγόνο ισοδύναμο, ας πούμε, με τη ζαχαροδιάσπαση (ζάχαρη->αλκοόλ).

Μπορείτε να το δοκιμάσετε στο εργαστήριο ή ακόμα και στο σπίτι. Βάλτε τον πουρέ ντομάτας ή τη ζάχαρη σε ένα μπουκάλι. Βάλτε μια στρώση λαδιού από πάνω. Κρατήστε το ένα μπουκάλι ανοιχτό και το άλλο κλειστό (αεροστεγές). Θα δείτε ότι το μπουκάλι που είναι ανοιχτό θα καλουπωθεί ενώ το κλειστό μπουκάλι όχι. Αυτό συμβαίνει επειδή δεν υπάρχουν βακτήρια που μπορούν να διεισδύσουν στο στρώμα του ελαίου, επειδή δεν υπάρχουν ένζυμα αρκετά ισχυρά για να λειτουργούν αναερόβια.

Επίσης, καλή συμβουλή για να διατηρήσετε το φαγητό σας στο σπίτι.

Πηγή: Είμαι μηχανικός βιοτεχνολογίας. Carlson, Karin. Linder, Claes et al.


Τα τροποποιημένα βακτήρια μετατρέπουν τα απόβλητα σε λίπος για καύσιμο

Τροφοδοσία μιας «σάλτσας ζάχαρης» που προέρχεται από φυτικά απόβλητα σε γενετικά τροποποιημένη Ε. Coli τα βακτήρια παράγουν λιπαρά οξέα σε ένα έργο υπό ανάπτυξη στο Πανεπιστήμιο Rice. Τα πλούσια σε άνθρακα οξέα μπορούν στη συνέχεια να μετατραπούν σε καύσιμο. Το ρύζι είναι μέρος ενός έργου που χρηματοδοτείται από το Υπουργείο Γεωργίας για την κλιμάκωση της παραγωγής καυσίμων και άλλων προϊόντων παρόμοια με το πετρέλαιο από βιομάζα. Πίστωση: eff Fitlow/Rice University

Η «πράσινη» χημεία που αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο Ράις βρίσκεται στο επίκεντρο μιας νέας κυβερνητικής προσπάθειας να μετατρέψει τα φυτικά απόβλητα σε λιπαρά οξέα και στη συνέχεια σε καύσιμο.

Το εργαστήριο ρυζιού του βιομηχανικού Ka-Yiu San αποτελεί μέρος ενός πρόσφατα ανακοινωθέντος έργου 25 εκατομμυρίων δολαρίων του Υπουργείου Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών για την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και προϊόντων βιολογικής βάσης από υπολείμματα χόρτου και δασοκομίας και από ένα νέο υβρίδιο σόργου που αναπτύσσεται στο Πανεπιστήμιο Τέξας Α & Μ.

Οι διαδικασίες ζύμωσης που εκκρεμούν για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας που δημιουργήθηκαν από τον San και τους συνεργάτες του χρησιμοποιούν γενετικά τροποποιημένες Ε. Coli βακτήρια για να παράγουν λιπαρά οξέα από υδρολύματα. Το ζαχαρούχο, πλούσιο σε άνθρακα υδρόλυμα εξάγεται από την κυτταρίνη, το σκληρό, μη βρώσιμο μέρος των φυτών που συνήθως πετιέται. Ο San είπε ότι το εργαστήριό του έχει ήδη απόδοση 80 έως 90 τοις εκατό λιπαρών οξέων από πρότυπα σάκχαρα και ελπίζει να το βελτιώσει τα επόμενα χρόνια.

"Η προσθήκη ενός άλλου 1 ή 2 τοις εκατό δεν φαίνεται πολύ", δήλωσε ο San, βασισμένος στο Rice's BioScience Research Collaborative. "Αλλά όταν μιλάτε για την παραγωγή αρκετών εκατομμυρίων τόνων ετησίως, είναι τεράστιο".

Τα προϊόντα-στόχοι είναι συνθετικό ντίζελ και λιπαντικά, σύμφωνα με την Ceramatec Inc., μια εταιρεία με έδρα τη Γιούτα που πρότεινε το έργο και θα παρήγαγε υδρογονάνθρακες από λιπαρά οξέα που θα μπορούσαν στη συνέχεια να υποστούν επεξεργασία από διυλιστήρια πετρελαίου.

Υπάρχουν δύο τρόποι για την παραγωγή καυσίμων (από βιομάζα) ", δήλωσε ο Mukund Karanjikar, διευθυντής καινοτομίας στην Technology Holding LLC, η οποία διαχειρίζεται το έργο." Είτε φτιάχνετε αλκοόλες, είτε παράγετε καύσιμα που μοιάζουν με πετρέλαιο και μπορούν να μπουν στην τρέχουσα υποδομή. Το πρόγραμμά μας αφορά καύσιμα μεταφορών συμβατά με την υποδομή.

«Δεν υπάρχουν πολλοί τρόποι να περάσουμε από τα σάκχαρα σε μια ένωση που μοιάζει με ντίζελ», είπε. "Ο καλύτερος τρόπος είναι η παραγωγή λιπαρών οξέων από τα σάκχαρα μικροβιακά, όπως έχουν προσπαθήσει να κάνουν πολλά εργαστήρια. Αλλά η διαδικασία του Πανεπιστημίου Ράις είναι σίγουρα η νικήτρια."

Οι μεταδιδακτορικοί ερευνητές Xiujun Zhang και Mai Li ωθούν τα βακτήρια τους προς την αποτελεσματική παραγωγή λιπαρών οξέων εδώ και τέσσερα χρόνια, είπε ο San. Ο Zhang είναι υπεύθυνος για την ανάπτυξη ενζύμων στο Ε. Coli που προάγουν τον αποτελεσματικό σχηματισμό ελεύθερων λιπαρών οξέων, ενώ ο Li, τώρα στο GlycosBio, εργάστηκε για τη δημιουργία μικροβιακών στελεχών ξενιστών για παραγωγή υψηλής απόδοσης.

«Συνέβαλαν καθοριστικά σε αυτό το έργο», είπε. «Σε τέσσερα χρόνια, με δύο μεταδιδακτορικά, νικήσαμε όλους, ακόμη και ομάδες με δεκάδες μέλη».

Ο San είπε ότι οι ερευνητές εξέτασαν εκατοντάδες στελέχη Ε. Coli και συνδυάζει γενετικά τις καλύτερες ιδιότητες για να επιτύχει υψηλή απόδοση. "Άλλοι επιστήμονες πίστευαν ότι δεν μπορούσαμε να φτάσουμε κοντά στη μέγιστη απόδοση", θυμάται ο San. "Αυτοι ειπαν Ε. Coli χρειάζεται μόνο να δημιουργήσει αρκετό λιπίδιο (λίπος) για τη μεμβράνη του και θα σταματήσει».

Αυτό, όπως αποδείχθηκε, δεν ήταν αλήθεια. "Στην πραγματικότητα, ένα από τα στελέχη που αναπτύξαμε είναι πολύ ενδιαφέρον: Αντί να αποβάλλει το λιπαρό οξύ, θέλει να το διατηρήσει μέσα. Έτσι, περισσότερο από το 70 τοις εκατό του βάρους αυτών των κυττάρων είναι λιπαρό οξύ. Αυτά είναι παχύσαρκα Ε. Coli", Είπε ο Σαν.

Από τότε που ξεκίνησε το έργο, οι ερευνητές αύξησαν την παραγωγή τους 100 φορές, είπε ο San. "Ξεκινήσαμε με έναν τίτλο 0,4 γραμμαρίων ανά λίτρο και ήμασταν ενθουσιασμένοι όταν παρασκευάσαμε για πρώτη φορά 1 γραμμάριο. Τώρα είμαστε μέχρι 14 γραμμάρια ανά λίτρο και ψάχνουμε τρόπους για να τελειοποιήσουμε τη διαδικασία. Αλλά σε αυτό το σημείο, το Το σφάλμα δεν θα αλλάξει τόσο πολύ ».

Ωστόσο, θα χρειαστεί χρόνος για να κλιμακωθεί. "Πρέπει να είμαστε σίγουροι ότι το σφάλμα είναι τελειοποιημένο και αρκετά ισχυρό για τη βιομηχανία", δήλωσε ο San. "Τα στελέχη που συμπεριφέρονται καλά στο εργαστήριο μπορεί να μην είναι τόσο καλά σε ένα βιομηχανικό περιβάλλον." Είπε ότι η πορεία ανάπτυξης θα περιλαμβάνει δοκιμές από ανεξάρτητα εργαστήρια για να βεβαιωθεί ότι η διαδικασία είναι επαναλαμβανόμενη και στη συνέχεια αρχική κλιμάκωση από πιλοτικό εργοστάσιο σε δύο ή τρία χρόνια.

«Νομίζω ότι αυτή είναι μια πολύ πλούσια περιοχή», είπε ο Σαν. "Όταν ξεκινήσαμε αυτό το έργο πριν από τέσσερα χρόνια, κανείς δεν είχε δώσει σημασία στα λιπαρά οξέα. Όμως ήξερα ότι αυτό θα ήταν ένα καλό μοντέλο συστήματος με ατελείωτες παραλλαγές που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πραγματικά προϊόντα."


Τα μικρόβια παράγουν καύσιμα απευθείας από τη βιομάζα

Μια συνεργασία με επικεφαλής ερευνητές με το Joint BioEnergy Institute (JBEI) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ ανέπτυξε ένα μικρόβιο που μπορεί να παράγει ένα προηγμένο βιοκαύσιμο απευθείας από βιομάζα. Χρησιμοποιώντας τα εργαλεία της συνθετικής βιολογίας, οι ερευνητές του JBEI σχεδίασαν ένα είδος Escherichia coli (Ε. Coli) βακτήρια για την παραγωγή καυσίμου βιοντίζελ και άλλων σημαντικών χημικών που προέρχονται από λιπαρά οξέα.

"Το γεγονός ότι τα μικρόβια μας μπορούν να παράγουν καύσιμο ντίζελ απευθείας από βιομάζα χωρίς πρόσθετες χημικές τροποποιήσεις είναι συναρπαστικό και σημαντικό", λέει ο Jay Keasling, Διευθύνων Σύμβουλος της JBEI και κορυφαία επιστημονική αρχή για τη συνθετική βιολογία. "Δεδομένου ότι το κόστος ανάκτησης βιοντίζελ δεν είναι πουθενά κοντά στο κόστος που απαιτείται για την απόσταξη αιθανόλης, πιστεύουμε ότι τα αποτελέσματά μας μπορούν να συμβάλουν σημαντικά στον τελικό στόχο της παραγωγής κλιμακούμενων και οικονομικά αποδοτικών προηγμένων βιοκαυσίμων και ανανεώσιμων χημικών."

Ο Keasling ηγήθηκε της συνεργασίας, η οποία αποτελούταν από μια ομάδα του τμήματος σύνθεσης καυσίμων της JBEI που περιλάμβανε τους Eric Steen, Yisheng Kang και Gregory Bokinsky, και μια ομάδα από την LS9, μια ιδιωτική εταιρεία βιομηχανικής βιοτεχνολογίας με έδρα το Νότιο Σαν Φρανσίσκο. Επικεφαλής της ομάδας LS9 ήταν ο Stephen del Cardayre και περιλάμβανε τους Zhihao Hu, Andreas Schirmer και Amy McClure. Η συνεργασία έχει δημοσιεύσει τα αποτελέσματα της έρευνάς τους στην έκδοση 28 Ιανουαρίου 2010 του περιοδικού Φύση. Ο τίτλος της εργασίας είναι "Μικροβιακή Παραγωγή Καυσίμων και Χημικών Προερχόμενων από Λιπαρά Οξέα και Χημικά από Φυτική Βιομάζα".

Ένας συνδυασμός συνεχώς αυξανόμενου ενεργειακού κόστους και ανησυχιών για την υπερθέρμανση του πλανήτη έχει δημιουργήσει μια διεθνή επιταγή για νέα καύσιμα μεταφοράς που είναι ανανεώσιμα και μπορούν να παραχθούν με βιώσιμο τρόπο. Επιστημονικές μελέτες έχουν αποδείξει με συνέπεια ότι τα υγρά καύσιμα που προέρχονται από φυτική βιομάζα είναι μία από τις καλύτερες εναλλακτικές λύσεις εάν βρεθεί ένα οικονομικά αποδοτικό μέσο εμπορικής παραγωγής. Μεγάλες ερευνητικές προσπάθειες προς το σκοπό αυτό εστιάζονται στα λιπαρά οξέα-τα πλούσια σε ενέργεια μόρια στα ζωντανά κύτταρα που έχουν ονομαστεί πετρέλαιο της φύσης.

Καύσιμα και χημικά παράγονται από τα λιπαρά οξέα σε φυτικά και ζωικά έλαια για περισσότερο από έναν αιώνα. Αυτά τα έλαια χρησιμεύουν πλέον ως πρώτες ύλες όχι μόνο για καύσιμο βιοντίζελ, αλλά και για ένα ευρύ φάσμα σημαντικών χημικών προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων τασιενεργών, διαλυτών και λιπαντικών.

«Η αυξημένη ζήτηση και η περιορισμένη προσφορά αυτών των ελαίων έχει οδηγήσει σε ανταγωνισμό με τα τρόφιμα, υψηλότερες τιμές, αμφισβητήσιμες πρακτικές χρήσης γης και περιβαλλοντικές ανησυχίες που σχετίζονται με την παραγωγή τους», λέει ο Keasling. "Μια πιο επεκτάσιμη, ελεγχόμενη και οικονομική εναλλακτική διαδρομή σε αυτά τα καύσιμα και χημικά θα ήταν μέσω της μικροβιακής μετατροπής ανανεώσιμων πρώτων υλών, όπως οι υδατάνθρακες που προέρχονται από βιομάζα."

Ε. Coli είναι ένας καλά μελετημένος μικροοργανισμός του οποίου η φυσική ικανότητα να συνθέτει λιπαρά οξέα και η εξαιρετική ικανότητα για γενετικό χειρισμό το καθιστούν ιδανικό στόχο για έρευνα βιοκαυσίμων. Ο συνδυασμός των Ε. Coli Με νέες βιοχημικές αντιδράσεις που πραγματοποιήθηκαν μέσω της συνθετικής βιολογίας, οι Keasling, Steen και οι συνεργάτες τους επέτρεψαν να παράγουν δομικά προσαρμοσμένους λιπαρούς εστέρες (βιοντίζελ), αλκοόλες και κεριά απευθείας από απλά σάκχαρα.

"Η βιοσύνθεση μικροβιακών λιπαρών οξέων παράγει λιπαρά οξέα συνδεδεμένα με μια πρωτεΐνη φορέα, η συσσώρευση της οποίας εμποδίζει την παραγωγή επιπλέον λιπαρών οξέων", λέει ο Steen. "Κανονικά Ε. Coli δεν σπαταλά ενέργεια κάνοντας το υπερβολικό λίπος, αλλά αποκόπτοντας τα λιπαρά οξέα από τις πρωτεΐνες-φορείς τους, είμαστε σε θέση να ξεκλειδώσουμε τη φυσική ρύθμιση και να δημιουργήσουμε άφθονα λιπαρά οξέα που μπορούν να μετατραπούν σε μια σειρά από πολύτιμα προϊόντα. Επιπλέον, σχεδιάσαμε το δικό μας Ε. Coli να μην τρώμε πλέον λιπαρά οξέα ή να τα χρησιμοποιούμε για ενέργεια ».

Μετά την επιτυχή εκτροπή του μεταβολισμού των λιπαρών οξέων προς την παραγωγή καυσίμων και άλλων χημικών από τη γλυκόζη, οι ερευνητές JBEI σχεδίασαν το νέο τους είδος Ε. Coli να παράγουν ημικυτταρίνες - ένζυμα που είναι ικανά να ζυμώσουν την ημικυτταρίνη, τα σύνθετα σάκχαρα που αποτελούν βασικό συστατικό της κυτταρινικής βιομάζας και πρωταρχικό αποθετήριο για την ενέργεια κλειδωμένη στα τοιχώματα των φυτικών κυττάρων.

"Μηχανική Ε. Coli Η παραγωγή ημικυτταριών επιτρέπει στα μικρόβια να παράγουν καύσιμα απευθείας από τη βιομάζα των φυτών που δεν χρησιμοποιούνται ως τροφή για τον άνθρωπο ή ως ζωοτροφή για ζώα ", λέει ο Steen." Επί του παρόντος, η βιοχημική επεξεργασία της κυτταρινικής βιομάζας απαιτεί δαπανηρά ένζυμα για την απελευθέρωση σακχάρου. Δίνοντας το Ε. Coli η ικανότητα ζύμωσης τόσο της κυτταρίνης όσο και της ημικυτταρίνης χωρίς την προσθήκη ακριβών ενζύμων, μπορούμε να βελτιώσουμε την οικονομία των κυτταρινικών βιοκαυσίμων ».

Η ομάδα του JBEI εργάζεται τώρα για τη μεγιστοποίηση της αποτελεσματικότητας και της ταχύτητας με την οποία το μηχανικό τους στέλεχος Ε. Coli μπορεί να μετατρέψει άμεσα τη βιομάζα σε βιοντίζελ. Εξετάζουν επίσης τρόπους μεγιστοποίησης της συνολικής ποσότητας βιοντίζελ που μπορεί να παραχθεί από μία μόνο ζύμωση.

«Η παραγωγικότητα, ο τίτλος και η αποτελεσματική μετατροπή της πρώτης ύλης σε καύσιμο είναι οι τρεις πιο σημαντικοί παράγοντες για τα μηχανικά μικρόβια που μπορούν να παράγουν βιοκαύσιμα σε βιομηχανική κλίμακα», λέει ο Steen. «Υπάρχουν ακόμη περισσότερες έρευνες που πρέπει να γίνουν πριν αυτή η διαδικασία γίνει εμπορικά εφικτή».

Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε από κεφάλαια της LS9, Inc., και του προγράμματος UC Discovery Grant. Το LS9 χρησιμοποιεί τεχνικές συνθετικής βιολογίας για την ανάπτυξη καυσίμων UltraClean & εκμετάλλευσης με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και βιώσιμων χημικών. Το πρόγραμμα UC Discovery Grant είναι μια τριμερής συνεργασία μεταξύ του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, της ιδιωτικής βιομηχανίας και της πολιτείας της Καλιφόρνιας που αποσκοπεί στην ενίσχυση και επέκταση της οικονομίας της Καλιφόρνιας μέσω στοχευμένων πεδίων έρευνας.


Τα μικρόβια παράγουν καύσιμα απευθείας από βιομάζα

Μια συνεργασία με επικεφαλής ερευνητές με το Joint BioEnergy Institute (JBEI) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ ανέπτυξε ένα μικρόβιο που μπορεί να παράγει ένα προηγμένο βιοκαύσιμο απευθείας από βιομάζα. Χρησιμοποιώντας τα εργαλεία της συνθετικής βιολογίας, οι ερευνητές του JBEI σχεδίασαν ένα είδος Escherichia coli (Ε. Coli) βακτήρια για την παραγωγή καυσίμου βιοντίζελ και άλλων σημαντικών χημικών ουσιών που προέρχονται από λιπαρά οξέα.

Ηλεκτρονική μικρογραφία δείχνει σε σχήμα ράβδου E. coli που εκκρίνει σταγονίδια ελαίου που περιέχουν καύσιμο βιοντίζελ, μαζί με λιπαρά οξέα και αλκοόλ. (Εικόνα από τους Marcin Zemla και Manfred Auer, JBEI)

"Το γεγονός ότι τα μικρόβια μας μπορούν να παράγουν καύσιμο ντίζελ απευθείας από βιομάζα χωρίς πρόσθετες χημικές τροποποιήσεις είναι συναρπαστικό και σημαντικό", λέει ο Jay Keasling, Διευθύνων Σύμβουλος της JBEI και κορυφαία επιστημονική αρχή για τη συνθετική βιολογία. «Δεδομένου ότι το κόστος ανάκτησης βιοντίζελ δεν πλησιάζει καθόλου το κόστος που απαιτείται για την απόσταξη της αιθανόλης, πιστεύουμε ότι τα αποτελέσματά μας μπορούν να συμβάλουν σημαντικά στον απώτερο στόχο της παραγωγής επεκτάσιμων και οικονομικά αποδοτικών προηγμένων βιοκαυσίμων και ανανεώσιμων χημικών ουσιών».

Ο Keasling ηγήθηκε της συνεργασίας, η οποία αποτελούταν από μια ομάδα από το τμήμα Fuels Synthesis του JBEI που περιλάμβανε τους Eric Steen, Yisheng Kang και Gregory Bokinsky, και μια ομάδα από την LS9, μια ιδιωτική εταιρεία βιομηχανικής βιοτεχνολογίας με έδρα το Νότιο Σαν Φρανσίσκο. Επικεφαλής της ομάδας LS9 ήταν ο Stephen del Cardayre και περιλάμβανε τους Zhihao Hu, Andreas Schirmer και Amy McClure. Η συνεργασία έχει δημοσιεύσει τα αποτελέσματα της έρευνάς τους στην έκδοση 28 Ιανουαρίου 2010 του περιοδικού Φύση. Ο τίτλος της εργασίας είναι «Μικροβιακή παραγωγή καυσίμων και χημικών που προέρχονται από λιπαρά οξέα από βιολογική μάζα των φυτών».

Ένας συνδυασμός συνεχώς αυξανόμενου ενεργειακού κόστους και ανησυχιών για την υπερθέρμανση του πλανήτη έχει δημιουργήσει μια διεθνή επιταγή για νέα καύσιμα μεταφοράς που είναι ανανεώσιμα και μπορούν να παραχθούν με βιώσιμο τρόπο. Επιστημονικές μελέτες έχουν αποδείξει με συνέπεια ότι τα υγρά καύσιμα που προέρχονται από φυτική βιομάζα είναι μία από τις καλύτερες εναλλακτικές λύσεις εάν βρεθεί ένα οικονομικά αποδοτικό μέσο εμπορικής παραγωγής. Οι μεγάλες ερευνητικές προσπάθειες για τον σκοπό αυτό επικεντρώνονται στα λιπαρά οξέα - τα πλούσια σε ενέργεια μόρια στα ζωντανά κύτταρα που έχουν ονομαστεί πετρέλαιο της φύσης.

Μόλις το E. coli εκκρίνει λάδι, απομονώνονται από τα σταγονίδια όπως φαίνεται από αυτή την οπτική εικόνα, διευκολύνοντας έτσι την ανάκτηση του ελαίου. (Εικόνα από τον Eric Steen, JBEI)

Καύσιμα και χημικά παράγονται από τα λιπαρά οξέα σε φυτικά και ζωικά έλαια για περισσότερο από έναν αιώνα. Αυτά τα έλαια χρησιμεύουν πλέον ως πρώτες ύλες όχι μόνο για καύσιμο βιοντίζελ, αλλά και για ένα ευρύ φάσμα σημαντικών χημικών προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων τασιενεργών, διαλυτών και λιπαντικών.

"Η αυξημένη ζήτηση και η περιορισμένη προσφορά αυτών των ελαίων οδήγησαν σε ανταγωνισμό με τρόφιμα, υψηλότερες τιμές, αμφισβητήσιμες πρακτικές χρήσης γης και περιβαλλοντικές ανησυχίες που σχετίζονται με την παραγωγή τους", λέει ο Keasling. «Μια πιο επεκτάσιμη, ελεγχόμενη και οικονομική εναλλακτική οδός σε αυτά τα καύσιμα και χημικά θα ήταν η μικροβιακή μετατροπή ανανεώσιμων πρώτων υλών, όπως οι υδατάνθρακες που προέρχονται από βιομάζα».

Ε. Coli είναι ένας καλά μελετημένος μικροοργανισμός του οποίου η φυσική ικανότητα να συνθέτει λιπαρά οξέα και η εξαιρετική ικανότητα για γενετικό χειρισμό το καθιστούν ιδανικό στόχο για έρευνα βιοκαυσίμων. Ο συνδυασμός των Ε. Coli Με νέες βιοχημικές αντιδράσεις που πραγματοποιήθηκαν μέσω της συνθετικής βιολογίας, οι Keasling, Steen και οι συνεργάτες τους επέτρεψαν να παράγουν δομικά προσαρμοσμένους λιπαρούς εστέρες (βιοντίζελ), αλκοόλες και κεριά απευθείας από απλά σάκχαρα.

"Η βιοσύνθεση μικροβιακών λιπαρών οξέων παράγει λιπαρά οξέα συνδεδεμένα με μια πρωτεΐνη φορέα, η συσσώρευση της οποίας εμποδίζει την παραγωγή επιπλέον λιπαρών οξέων", λέει ο Steen. "Κανονικά Ε. Coli δεν σπαταλά ενέργεια δημιουργώντας υπερβολικό λίπος, αλλά αποκόπτοντας τα λιπαρά οξέα από τις πρωτεΐνες-φορείς τους, είμαστε σε θέση να ξεκλειδώσουμε τη φυσική ρύθμιση και να δημιουργήσουμε άφθονα λιπαρά οξέα που μπορούν να μετατραπούν σε πολλά πολύτιμα προϊόντα. Επιπλέον, σχεδιάσαμε το δικό μας Ε. Coli να μην τρώμε πλέον λιπαρά οξέα ή να τα χρησιμοποιούμε για ενέργεια ».

Μετά την επιτυχή εκτροπή του μεταβολισμού των λιπαρών οξέων προς την παραγωγή καυσίμων και άλλων χημικών από τη γλυκόζη, οι ερευνητές JBEI σχεδίασαν το νέο τους είδος Ε. Coli για την παραγωγή ημικυτταριών και ενζύμων που είναι ικανά να ζυμώσουν την ημικυτταρίνη, τα σύνθετα σάκχαρα που αποτελούν βασικό συστατικό της κυτταρινικής βιομάζας και πρωταρχικό αποθετήριο για την ενέργεια κλειδωμένη στα τοιχώματα των φυτικών κυττάρων.

Ο Eric Steen, βιο-μηχανικός με το τμήμα σύνθεσης καυσίμων της JBEI, ήταν στην ομάδα με επικεφαλής τον Jay Keasling που σχεδίασε ένα στέλεχος βακτηρίων E. coli που παράγει βιοντίζελ. (Φωτογραφία από τον Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab Public Affairs)

"Μηχανική Ε. Coli Η παραγωγή ημικυτταρινασών επιτρέπει στα μικρόβια να παράγουν καύσιμα απευθείας από τη βιομάζα των φυτών που δεν χρησιμοποιούνται ως τροφή για τον άνθρωπο ή ως ζωοτροφή για ζώα», λέει ο Steen. «Επί του παρόντος, η βιοχημική επεξεργασία της κυτταρινικής βιομάζας απαιτεί δαπανηρά ένζυμα για την απελευθέρωση σακχάρου. Δίνοντας το Ε. Coli Η ικανότητα ζύμωσης τόσο της κυτταρίνης όσο και της ημικυτταρίνης χωρίς την προσθήκη ακριβών ενζύμων, μπορούμε να βελτιώσουμε την οικονομία των κυτταρινικών βιοκαυσίμων».

Η ομάδα του JBEI εργάζεται τώρα για τη μεγιστοποίηση της αποτελεσματικότητας και της ταχύτητας με την οποία το μηχανικό τους στέλεχος Ε. Coli μπορεί να μετατρέψει απευθείας τη βιομάζα σε βιοντίζελ. Εξετάζουν επίσης τρόπους μεγιστοποίησης της συνολικής ποσότητας βιοντίζελ που μπορεί να παραχθεί από μία μόνο ζύμωση.

"Η παραγωγικότητα, ο τίτλος και η αποτελεσματική μετατροπή της πρώτης ύλης σε καύσιμο είναι οι τρεις πιο σημαντικοί παράγοντες για την ανάπτυξη μικροβίων που μπορούν να παράγουν βιοκαύσιμα σε βιομηχανική κλίμακα", λέει ο Steen. «Υπάρχουν ακόμη περισσότερες έρευνες για να γίνουν πριν γίνει εμπορικά εφικτή αυτή η διαδικασία».

Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε από κεφάλαια της LS9, Inc. και του προγράμματος UC Discovery Grant. Το LS9 χρησιμοποιεί τεχνικές συνθετικής βιολογίας για την ανάπτυξη καυσίμων UltraClean-που εκκρεμούν σε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και βιώσιμων χημικών. Το πρόγραμμα UC Discovery Grant είναι μια τριμερής συνεργασία μεταξύ του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, της ιδιωτικής βιομηχανίας και της πολιτείας της Καλιφόρνιας που αποσκοπεί στην ενίσχυση και επέκταση της οικονομίας της Καλιφόρνιας μέσω των στοχευμένων πεδίων έρευνας.


5: Βακτηριακός μεταβολισμός

2. Τα οργανικά μόρια φωτοαυτροτροφία που παράγονται είναι απαραίτητα για την επιβίωση των χημειοετερότροφων, οργανισμών που απαιτούσαν προσχηματισμένα οργανικά μόρια ως πηγή άνθρακα και ενέργειας (όπως εμείς οι ίδιοι).

-Οι αερόβιοι οργανισμοί (πρώην άνθρωποι) μπορούν να χρησιμοποιήσουν τη γλυκόζη ως πηγή άνθρακα και ενέργειας σε μια διαδικασία που ονομάζεται αερόβια αναπνοή (η αντίδραση και η αντίδραση της φωτοσύνθεσης)

-άλλοι οργανισμοί που δεν μπορούν να πραγματοποιήσουν αερόβια αναπνοή μπορούν να χρησιμοποιήσουν τον αναερόβιο μεταβολισμό, για παράδειγμα τη ζύμωση, ως μέσο απελευθέρωσης ενέργειας από τη γλυκόζη

προϊόντα ζύμωσης γλυκόζης-> (οξέα, αλκοόλες) + λίγη ενέργεια

3. Φωτοετερότροφα & amp  Χημειοτροφικά

Χημειοετερότροφοι

έχουν χλωροφύλλη ή άλλες φωτοσυνθετικές χρωστικές

3. & ldquoother & ldquophotosynthetic βακτήρια

4. μη φωτοσυνθετικά βακτήρια, όλα βακτηριακά παθογόνα

I. Μεταβολισμός

(προσαρμοσμένο από τον Dr. L. Heffernan CSU Sacramento)

Α. Μεταβολισμός: όλες οι χημικές αντιδράσεις στο κύτταρο, τόσο οι καταβολικές όσο και οι αναβολικές αντιδράσεις.

1. Καταβολικές αντιδράσεις: υποβαθμιστικές αντιδράσεις, μεγάλες ουσίες που διασπώνται σε μικρότερες ουσίες με απελευθέρωση ενέργειας

ένα. Κάποια ενέργεια συλλαμβάνεται στο ATP /άλλα μόρια υψηλής ενέργειας /κύτταρα με κλίσεις πρωτονίων απαιτεί ενέργεια για βιοσύνθεση (αναβολισμός), κινητικότητα, ενεργή μεταφορά.

σι. Μικρότερες ουσίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δομικά στοιχεία σε αναβολικές αντιδράσεις

2. Αναβολικές αντιδράσεις: βιοσυνθετικές αντιδράσεις, μικρότερες ουσίες που ενώνονται μαζί με καθαρή εισροή ενέργειας (ATP από καταβολικές αντιδράσεις) για τη σύνθεση μεγαλύτερων ουσιών για τη δομή/προϊόντα των κυττάρων.

3. ATP=τριφωσφορική αδενοσίνη συνδέει αναβολικές και καταβολικές αντιδράσεις

Β. Σύλληψη ενέργειας μέσω μεταφοράς ηλεκτρονίων

1. Τα ηλεκτρόνια μεταφέρουν ενέργεια και μπορούν να μεταφέρουν ενέργεια από το ένα μόριο στο άλλο

2. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να μεταφερθούν ως ηλεκτρόνια & ldquonaked & rdquo ή ως μέρος ατόμων υδρογόνου

(Η = Η + + ηλεκτρόνιο), επομένως η μεταφορά ατόμου υδρογόνου αντιπροσωπεύει τη μεταφορά ηλεκτρονίων.

3. Η μεταφορά ηλεκτρονίων εμπλέκεται στη σύνθεση ATP

Γ. Τύποι μεταφοράς ηλεκτρονίων

1.οξείδωση: απώλεια ηλεκτρονίων σε έναν δέκτη ηλεκτρονίων

2. μείωση: κέρδος ηλεκτρονίων από δότη ηλεκτρονίων

3. αντιδράσεις οξειδοαναγωγής: μια ουσία χάνει ηλεκτρόνια και μια άλλη ουσία δέχεται αυτά τα ηλεκτρόνια

ένα. Η ουσία που χάνει ηλεκτρόνια οξειδώνεται και ονομάζεται δότης ηλεκτρονίων ή αναγωγικός παράγοντας

σι. Η ουσία που αποκτά ηλεκτρόνια μειώνεται και ονομάζεται δέκτης ηλεκτρονίων ή οξειδωτικός παράγοντας

ντο. Παράδειγμα οξειδοαναγωγικής αντίδρασης: πλήρης οξείδωση της γλυκόζης μέσω γλυκόλυσης και αερόβια αναπνοή. Η γλυκόζη οξειδώνεται και δρα ως αναγωγικός παράγοντας. Το O2 ανάγεται και δρα ως οξειδωτικός παράγοντας. Τα ηλεκτρόνια από τη γλυκόζη τελικά δωρίζονται στο Ο2.

4. Αντίδραση οξειδοαναγωγής που περιλαμβάνει φορείς ηλεκτρονίων/Η NAD+ και FAD (συνένζυμα): δινουκλεοτίδιο αδενίνης νικοτιναμιδίου και δινουκλεοτίδιο αδενίνης φλαβίνης

ένα. Το NAD+ μπορεί να μεταφέρει επιπλέον άτομο και ηλεκτρόνιο υδρογόνου: NAD++ 2H -& gt NADH+ H+

σι. Το FAD μπορεί να μεταφέρει 2 άτομα H: FAD + 2H-& gt FADH2

ντο. NADH και FADH2 μεταφέρουν ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων στη βακτηριακή κυτταρική μεμβράνη (ή εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη σε ευκαρυώτες)

Δ. Μεταβολικές αντιδράσεις στα κύτταρα απαιτούν

1. Μεταβολικές αντιδράσεις συμβαίνουν πολύ αργά στα κύτταρα για να διατηρήσουν τη ζωή

2. Η αύξηση της θερμοκρασίας για την αύξηση των ρυθμών αντίδρασης θα σκότωνε τα κύτταρα (πρωτεΐνες μετουσίωσης/DNA)

3. Επομένως όλα τα κύτταρα έχουν πρωτεϊνικούς καταλύτες που ονομάζονται ένζυμα για να αυξήσουν τους ρυθμούς αντίδρασης

ένα. καταλύτες: ουσίες που μειώνουν την ενέργεια ενεργοποίησης των χημικών αντιδράσεων

-ενέργεια ενεργοποίησης: ενέργεια που απαιτείται για την έναρξη χημικών αντιδράσεων

-δείτε διαγράμματα πίνακα/κείμενο/Ppt

Ε. Ενζυμική δομή και λειτουργία

1. Τα ένζυμα είναι πρωτεϊνικοί καταλύτες που αποτελούνται από συγκεκριμένες αλληλουχίες αμινοξέων που υπαγορεύουν την αναδίπλωση και το τρισδιάστατο σχήμα/λειτουργικό σχήμα

ένα. η αναδίπλωση δημιουργεί μια ενεργή θέση όπου το ένζυμο δεσμεύει το ειδικό υπόστρωμά του

σι. υπόστρωμα: η ουσία που δεσμεύει το ένζυμο και & ldquochanges & rsquo

ντο. & ldquolock και κλειδί & rdquo vs & ldquoεπαγόμενη προσαρμογή & rdquo του υποστρώματος σε ενζυματική ενεργή θέση

ρε. το ένζυμο (Ε) και το υπόστρωμα (S) συνδέονται και σχηματίζουν ένζυμο: τα σύμπλοκα υποστρώματος δεσμοί του υποστρώματος αναδιατάσσονται, σχηματίζεται το προϊόν (Ρ). Το προϊόν απελευθερώνεται από την ενζυματική ενεργή θέση.

μι. το ένζυμο δεν & ldquoquo & rdquo και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ξανά και ξανά

2. Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες και μπορούν να μετουσιωθούν απώλεια τρισδιάστατου σχήματος = απώλεια λειτουργίας (θερμότητα, pH κ.λπ.)

3. Τα ένζυμα είναι ειδικά για το υπόστρωμα. Τα ένζυμα γενικά καταλύουν μόνο μία αντίδραση, δρουν σε ένα μόνο υπόστρωμα ή στενά συνδεδεμένα υποστρώματα (καθορίζονται από το σχήμα, το μέγεθος και την κατανομή φορτίου του υποστρώματος και την ικανότητα προσαρμογής στο ενεργό σημείο)

4. Ένζυμα ταξινομημένα ανάλογα με τη λειτουργία. παραδείγματα:

ισομεράσες αλδεΰδη <-> κετονική ομάδα

αφυδρογονάση ή αναγωγάση: αφαίρεση και μεταφορά ηλεκτρονίων από τη μία ουσία στην άλλη. Ορισμένα απαιτούν συνένζυμα: ex NAD+ και FAD δρουν ως φορείς ηλεκτρονίων/Η

transferase: μεταφέρει μια πλευρική αλυσίδα

κινάση: μια φωσφοτρανσφεράση, μεταφέρει φωσφορική ομάδα από ATP σε άλλο μόριο ATP + R-& gt ADP + R-P

5. Ένζυμο επίθημα & ldquo-ase & rdquo που ονομάζεται σύμφωνα με το υπόστρωμα και τη συνάρτηση π.χ. αφυδρογονάση γλυκόζης-6-φωσφορικής = ένζυμο που αφυδρογονώνει, αφαιρεί υδρογόνο, από 6-φωσφορική γλυκόζη

6. Ενζυμική αναστολή: ανταγωνιστική έναντι μη ανταγωνιστικής αναστολής/αλλοστερικός έλεγχος.

-Ανατροφοδότηση ή αναστολή τελικού προϊόντος.

- αναστολείς αντιμικροβιακών ενζύμων: π.χ.

ένα. αντιβιοτικά βήτα-λακτάμης: μη αναστρέψιμοι ανταγωνιστικοί αναστολείς των βακτηριακών τρανπεπτιδάσες

σι. -φθοροκινολόνες και βακτηριακή γυράση

ντο. -trimethorpim-sulfa (π.χ. Bactrim) combo&rsquos ως διαδοχικοί ανταγωνιστικοί αναστολείς των ενζύμων σύνθεσης φυλλικού οξέος

-Φολικό οξύ-> συνένζυμο που απαιτείται για τη σύνθεση νουκλεϊκού οξέος

ΣΤ. Μεταβολικά μονοπάτια: σειρά χημικών αντιδράσεων όπου το προϊόν της πρώτης αντίδρασης είναι υπόστρωμα για το επόμενο βήμα που καταλύεται με ένζυμα

1. Κάθε βήμα σε μια μεταβολική οδό απαιτεί ένα συγκεκριμένο ένζυμο

2. Εάν ένα ένζυμο στην οδό λείπει ή είναι ελαττωματικό, το κύτταρο δεν μπορεί να σχηματίσει το τελικό προϊόν της οδού

ούτε ενδιάμεσα & ldquodownstream & rdquo από το ένζυμο που λείπει

G. Συνένζυμα και συμπαράγοντες: ουσίες που απαιτούνται από ορισμένα ένζυμα για πλήρη δραστηριότητα

1. ένζυμο χωρίς συμπαράγοντα/συνένζυμο=αποένζυμο με συμπαράγοντα/συνένζυμο=ολοένζυμο

2. συνένζυμα: οργανικά μόρια (NAD+, FAD, κυτοχρώματα), χαλαρά συνδεδεμένα με το ένζυμο. Συχνά σχηματίζεται από βιταμίνες ex niacin->NAD+ nicotinamide adenine dinucleotide. Το NAD+ είναι σημαντικό σε πολλές οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. NAD + (χαμηλή ενέργεια) + 2Η-& gt NADH (υψηλής ενέργειας) + Η +

3. συμπαράγοντες: ανόργανα ex μαγνήσιο, ασβέστιο, ψευδάργυρος. Συχνά βελτιώνει την εφαρμογή του υποστρώματος για α.σ.

Η. Μεταβολικές διεργασίες χημειοτερότροφων: πηγή ενέργειας = οξείδωση οργανικών ουσιών, πηγή άνθρακα = προσχηματισμένα οργανικά μόρια

1. τα περισσότερα βακτήρια, όλα τα παθογόνα

2. μεταβολικές διεργασίες: γλυκόλυση, ζύμωση, αερόβια/αναερόβια αναπνοή

3. Γλυκόλυση: οξείδωση της γλυκόζης σε πυροσταφυλικό οξύ με σύνθεση ATP (μέσω φωσφορυλίωσης σε επίπεδο υποστρώματος) δεν απαιτείται O2, δεν παράγεται CO2, το NAD+ είναι αναποτελεσματική δέσμευση ενέργειας γλυκόζης από τον δέκτη ηλεκτρονίων σε ATP. Πυροσταφυλικό τελικό προϊόν ακόμα πλούσιο σε ενέργεια.

4. Ζύμωση: αναερόβια διαδικασία, μετατροπή του πυροσταφυλικού οξέος/πυροσταφυλικού οξέος σε (πιο μειωμένα) οξέα, αλκοόλες, αέρια & εσωτερικά & rdquo, τα οργανικά μόρια λειτουργούν ως τελικοί/τελικοί δέκτες ηλεκτρονίων.

-Μικρή απόδοση της δέσμευσης ενέργειας στο ΑΤΡ από τη γλυκόζη.

5. Αερόβια αναπνοή: γλυκόλυση και πλήρης οξείδωση του πυροσταφυλικού οξέος σε CO2 και H2O παρουσία Ο2Το Ο2 είναι τελικός δέκτης ηλεκτρονίων (εξωτερικός, ανόργανος). Συλλαμβάνει μεγάλη ποσότητα ενέργειας γλυκόζης στο ATP μέσω σχηματισμού κλίσης πρωτονίων και συνθάσης ATP = χημειόσμωση.

7. Αναερόβιες διεργασίες: γλυκόλυση, ζύμωση, αναερόβια αναπνοή

8. Αερόβιες διεργασίες: αερόβια αναπνοή

II Μεταβολισμός υδατανθράκων και παραγωγή ενέργειας σε χημειοτερότροπα

Α. Η οξείδωση (αφαίρεση ηλεκτρονίων) της γλυκόζης (ένα ανηγμένο μόριο) απελευθερώνει ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύνθεση ATP και το σχηματισμό βαθμίδας ιόντων. Αυτές οι πηγές δυνητικής ενέργειας στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για την πραγματοποίηση κυτταρικών & ldquowork & rdquo για παράδειγμα βιοσύνθεση/αναβολισμός, ενεργητική μεταφορά, κινητικότητα.

1. Τα χημειοετερότροφα καταβολίζουν (διασπούν) τους υδατάνθρακες μέσω γλυκόλυσης, ζύμωσης και αερόβιας αναπνοής. Οι προκαρυώτες μπορούν επίσης να πραγματοποιήσουν αναερόβια αναπνοή

Β. Γλυκόλυση: πρώτο βήμα στην απελευθέρωση ενέργειας (οδός Embden-Meyerhof)

1. Ελληνικά: & ldquoglyco & rdquo = γλυκό & ldquo λύση & rdquo = διάλυση & ldquosugar break & rdquo

2. Ένα μόριο γλυκόζης & σπασμένο & rdquo σε 2 μόρια πυροσταφυλικού (με σύνθεση ATP)

3. Η γλυκόζη μεταφέρθηκε αρχικά στο κύτταρο μέσω της κυτταρικής μεμβράνης

ένα. στο & ldquoenterics & rdquo (Enterobacteriaceae, περιλαμβάνει E. coli και ξαδέλφια) με ομαδική μετατόπιση, το σύστημα φωσφοενόλης τρανσφεράσης (PEP). Η γλυκόζη φωσφορυλιώνεται καθώς διασχίζει την κυτταρική μεμβράνη.

σι. εάν η γλυκόζη δεν φωσφορυλιωθεί καθώς διασχίζει την κυτταρική μεμβράνη, αλληλεπιδρά με την εξακινάση και το ATP για να σχηματίσει γλυκόζη-6-Ρ

ντο. η κυτταρική μεμβράνη είναι εξαιρετικά αδιαπέρατη από τις περισσότερες φωσφορυλιωμένες ενώσεις, έτσι τα φωσφορικά σάκχαρα παγιδεύονται στο κύτταρο.

4. Μέσα από διάφορα στάδια (10 βήματα που περιλαμβάνουν 10 ένζυμα στο κυτταρόπλασμα), η γλυκόζη μετατρέπεται σε 2 μόρια πυροσταφυλικού. Οχι ο2 απαιτείται (η αναερόβια διαδικασία μπορεί να προχωρήσει παρουσία Ο2).

10 ενζυμικά καταλυόμενα στάδια

γλυκόζη->--->---->----->---->-----> 2 x πυροσταφυλικό + 4 ATP (μέσω φωσφορυλίωσης σε επίπεδο υποστρώματος)

(άλλα σάκχαρα μπορούν να εισέλθουν στο μονοπάτι)

5. Καθαρό κέρδος από ένα μόριο γλυκόζης μέσω γλυκόλυσης:

2 πυροσταφυλικό (ακόμα μόριο υψηλής ενέργειας)

6. Γλυκόλυση: οξείδωση της γλυκόζης (αφαίρεση ηλεκτρονίων) σε πυροσταφυλικό (2 μόρια) με σύνθεση ΑΤΡ (μέσω φωσφορυλίωσης σε επίπεδο υποστρώματος) και αναγωγή του NAD+ σε NADH.

7. Φωσφορυλίωση επιπέδου υποστρώματος: παραδείγματα

ένα. Το φωσφορικό άλας μεταφέρεται από το ΑΤΡ στο ενδιάμεσο γλυκόλυσης

σι. Τα κυτταροπλασματικά φωσφορικά άλατα μεταφέρονται στα ενδιάμεσα κατά την οξείδωση

ντο. Μεταφορά φωσφορικού υψηλής ενέργειας από ενδιάμεσο σε ADP που σχηματίζει ΑΤΡ.

Ζύμωση : Pasteur & rsquos & ldquolife απουσία αέρα & rdquo. Οξειδώνει το NADH που παράγεται κατά τη γλυκόλυση

1. Όταν πρωτοεμφανίστηκε η ζωή στη Γη, η ατμόσφαιρα ήταν αναερόβια (όχι Ο2)

2. Η γλυκόλυση θα μπορούσε να παράγει μικρές ποσότητες ΑΤΡ

3. Πρόβλημα: η γλυκόλυση απαιτεί οξειδωμένο NAD+. Κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης, το NAD+ ανάγεται σε NADH. Όταν το κύτταρο καταναλώνει όλο το NAD+, η γλυκόλυση σταματά να παράγει ενέργεια, το κύτταρο μπορεί να πεθάνει.

4. Λύση: χρησιμοποιήστε ένα εσωτερικό οργανικό μόριο για να δεχτείτε ηλεκτρόνια από το NADH, για να αναγεννήσετε το οξειδωμένο NAD+.

5. Δύο ορισμοί ζύμωσης:

ένα. αναερόβιος μεταβολισμός του πυροσταφυλικού που παράγεται στη γλυκόλυση

σι. οξειδωτικές οδοί στις οποίες οι οργανικές ενώσεις χρησιμεύουν τόσο ως δέκτες ηλεκτρονίων όσο και ως δότες ηλεκτρονίων. Η ενέργεια απελευθερώνεται από σάκχαρα ή άλλα οργανικά μόρια απουσία πρόσθετου (εξωτερικού) δέκτη ηλεκτρονίων.

6. Πολλές διαφορετικές οδοί ζύμωσης που περιλαμβάνουν διαφορετικά ένζυμα, με αποτέλεσμα διαφορετικά τελικά προϊόντα.

ένα. Ονόματα οδών ζύμωσης που βασίζονται συχνά σε τελικά προϊόντα.

σι. Συνήθως ένας οργανισμός έχει ένζυμα μόνο για ένα μονοπάτι. πρώιμα βακτήρια γαλακτικού οξέος, βακτήρια προπιονικού οξέος, μαγιά (αλκοολική ζύμωση)

ντο. παραδείγματα διαφορετικών οδών ζύμωσης τελικά προϊόντα γλυκόζη (ή άλλα σάκχαρα) βλέπε κείμενο ή διαγράμματα Powerpoint γλυκόλυση γαλακτικού οξέος ομογαλακτικό ζύμωμα

κάποιο Strept., πυροσταφυλικό ----- βουτυρικό-βουτυλικό ζύμωση- & gt βουτυρικό οξύ, βουτανόλη,

Lactobacillus ισοπροπανόλη, αιθανόλη, CO2

Clostridium tetani, botulinum

αιθανόλη, CO2, αλκοολικός φερμ

βουτυλενογλυκόλη, CO2 (VP τεστ)

μικτή οξική ζύμωση προπιονική ζύμωση Klebsiella πνευμονία

οξικό, ηλεκτρικό, γαλακτικό οξύ Enterobacter aerogenes

αιθανόλη, CO2 προπιονικό οξύ, οξικό οξύ, CO2, Η2

E. coli, Salmonella, Shigella Propionibacterium (ακμή, ελβετικό τυρί)

7. Ζύμωση γαλακτικού οξέος: (βακτήρια γαλακτικού οξέος ex Streptococcus. Lactobacillus) βλέπε πίνακα ή διαγράμματα κειμένου

8. Αλκοολική ζύμωση: (πρώην μαγιά, είδη Saccharomyces) δείτε πίνακες ή διαγράμματα κειμένου

2 NAD+ 2 NADH ------ & gt 2 CO2 2NAD+ 2 αιθανόλη 2C

9. Ενδιάμεσα/τελικά προϊόντα ζύμωσης μπορούν να ανιχνευθούν και να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό του συγκεκριμένου οργανισμού (διαγνωστικά, & εικονοχημικές δοκιμές & rdquo που θα χρησιμοποιήσουμε στο εργαστήριο)

10. Προβλήματα με τη ζύμωση

ένα. απορρίμματα υψηλής ενέργειας (πολλή ενέργεια ακόμα αποθηκευμένη στα τελικά προϊόντα)

σι. συχνά τοξικά τελικά προϊόντα (οξέα, αλκοόλες)

Αναπνοή : δείτε διαγράμματα κειμένου/ppt

I. Πρώτη μοίρα του πυροσταφυλικού: ζύμωση

II Δεύτερη μοίρα του Pyruvate: Αναπνοή

Α. Αναπνοή: χρήση της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων (ETC) σε οξειδωτικές διεργασίες (αερόβιες & αναερόβιες ενισχυτές)

Β. Αερόβια αναπνοή: Πλήρης οξείδωση της γλυκόζης σε CO2 και H2O με σύνθεση ATP (τόσο επίπεδο υποστρώματος όσο και οξειδωτική φωσφορυλίωση μέσω χημειοσμωτικού μηχανισμού). Ο2 λειτουργεί ως αποδέκτης τερματικών ηλεκτρονίων του ETC. Αυξάνει σημαντικά την ποσότητα του ATP που συντίθεται ανά μόριο γλυκόζης

1. ζύμωση = 2 ΑΤΡ/γλυκόζη έναντι αερόβιας αναπνοής = περίπου. 38 ΑΤΡ/γλυκόζη

Γ. Ιστορία: αναερόβια ατμόσφαιρα πρώιμης γης.

1. εξέλιξη των δακτυλίων πορφυρίνης --> εξέλιξη των μορίων της χλωροφύλλης και των κυτοχρωμάτων

-earliest photosynthesis carried out by bacteria= &ldquoanoxygenic photosynthesis&rdquo no O2 liberated ex purple and green photosynthetic bacteria, use bacteriochlorophylls

2. chlorophyll molecules permitted evolution of oxygenic photosynthesis by primitive cyanobacteria

-levels of O2 increase in atmosphere, creating aerobic environment

3. evolution of cytochromes-->electron transport chains (ETC)

- evolution of anaerobic respiration (molecules other than O2 are used as terminal electron acceptors ex nitrate

- ETC + O2-->evolution aerobic respiration O2 used as terminal electron acceptor

D. Tricarboxylic Acid Cycle=Krebs Cycle=Citric Acid Cycle. Major route of ATP generation in aerobic organisms. fig ___

-pyruvate/acetyl CoA is oxidized in cyclic manner, generating NADH and FADH2

2. evolution: first part of cycle (through alpha-ketoglutarate) probably evolved before O2 present in atmosphere. Coenzyme A is an ancient molecule, a ribonucleotide (possibly reflects ancient world when RNA molecules were thought to act as biological catalysts= &ldquoribozymes&rdquo=RNA catalysts)

3. Even strict anaerobes have most enzymes of TCA cycle intermediates used in biosynthesis.

4. Pyruvate Dehydrogenase Complex (PDC): oxidative decarboxylation of pyruvate with addition of CoA irreversible link between glycolysis and TCA. &ndashsee text/Ppt diagrams

5. acetyl CoA (2C) enters TCA cycle by combining with oxaloacetic acid (4C) forming citrate (6C) (see diagram)

ένα. for every &ldquo turn&rdquo of the cycle, 2 carbons are released as CO2

σι. oxaloacetic acid (4C) regenerated which can combine with another acetyl CoA(cycle)

NADH oxaloacetate citrate

ένα. per turn: 3NAD+ are reduced to 3(NADH + H+)

1 ATP synthesized (substrate level phosphorylation via GTP)

2 CO2 released (endproduct of aerobic respiration)

ρε. per glucose molecule, the TCA cycle will &ldquoturn&rdquo twice

7. Each NADH will generate 3 ATP via ETC each FADH2 will generate 2 ATP via ETC

8. TCA intermediates are used for biosynthesis: alpha-ketoglutarate->amino acids

succinyl CoA-> porphyrin synthesis oxaloacetate->amino acids

E. Electron Transport Chain, respiration, chemiosmosis and ATP synthesis

1. electron carriers located in cell membrane of prokaryotes and in inner mitochondrial membrane of eukaryotes

ένα. cytochromes: proteins w/ porphyrin rings with iron=heme: Fe3+ + electron<-> Fe2+

-different types ex a1, a2, b1, c

-some organisms cannot synthesize heme rings ex Streptococcus

σι. sulfur proteins ex ferrodoxin

ντο. lipid soluble quinones Coenzyme Q

ένα. to accept electrons from e- donors and transfer to e- acceptors

σι. use energy released from electron transfer to create proton gradient across membrane (source of potential energy) &ldquoproton motive force&rdquo

ντο. some carriers accept H atoms (H+ + electron) others accept only electrons. Result: H+ get &ldquopumped&rdquo across membrane, creating proton gradient

3. aerobic respiration: terminal electron acceptor= external, inorganic O2

2 e- + 2H+ +1/2 O2=H2O (endproduct of aerobic respiration)

4. Chemiosmosis: Proton gradient across membrane used to perform cellular work ex used to drive ATP synthesis via ATP synthase in membrane fig ___

ένα. as protons flow back across membrane through ATP synthase, ADP is phosphorylated, producing ATP

5. oxidative phosphorylation: &ldquoThe production of ATP using energy derived from redox reactions of an ETC &ldquo

-compare to. substrate level phosphorylation: the formation of ATP by directly transferring a phosphate group to ADP from an intermediate substrate in catabolism

Big overview aerobic respiration: high energy electrons of glucose are ripped away, carried by NADH and FADH2 to cell membrane where ETC is located, passed down ETC, lose energy, energy used to pump protons across cell membrane creating PROTON GRADIENT, which is used to drive ATP SYNTHESIS via ATP SYNTHASE.

6. Anaerobic respiration: (prokaryotes only)-anaerobic respiration. Respiration using molecule other than O2 as terminal electron acceptor at end of ETC, ex NO3 -nitrate used as terminal e donor, reduced to nitrite or possibly N2

-eating nitrates/nitrites (food preservatives)-> produced nitrites in gut from ex E. coli nitrate reduction, nitrite- >nitrosamines-> suspect carcinogen, predispose to colon cancer? Nitrates and Methemogloninemia?

ex Sulfates reduced to H2μικρό

Comparing Fermentation, aerobic respiration, anaerobic respiration

Ο2 required ATP produced Final electron acceptors?

Fermentation NO 2ATP/glucose

Aerobic resp. YES appr 38 ATP/glucose bacteria

Anaero. resp NO >2 ATP <38 ATP

Notes: -glycolysis is common pathway to both aerobic and anaerobic metabolism

-organisms grow faster via aerobic respiration than by fermentation (higher ATP yield/glucose)

-note mammalian muscle tissue reverts to lactic acid fermentation when O2 levels low (heavy exercise) lactic acid taken by blood to liver where it is changed back to glucose

-glycolysis may operate anaerobically if fermentation pathways available

- in organisms which carry out aerobic respiration but not anaerobic respiration, both Krebs cycle and ETC are inhibited by lack of O2

-in aerobic respiration, 60% of glucose energy is lost as heat

III. Biosynthesis/anabolism

A. Many of the intermediates of glycolysis, Kreb&rsquos cycle are important precursors in biosynthetic/anabolic reactions

1.. examples: Krebs Cycle intermediates

alpha-ketoglutarate-->amino acids succinyl CoA-->porphyrins

2. &ldquoKrebs prep&rdquo: acetyl CoA-->fatty acids/lipids

3. Glycolysis: pyruvate--> amino acids

B. For many biosynthetic reactions, high energy electrons are needed to reduce molecules. These high energy electrons are provided by NADPH (similar to NADH except an additional phosphate group)

NADPH is produced during the Pentose Phosphate Pathway. This pathway uses glucose-6 -P from glycolysis and produces NADPH, ribose-5 -P

IV Entner Doudoroff pathway alternate to Embden &ndashMeyerhof pathway

A. Oxygenic photosynthesis: cyanobacterium, green plants chl a (Photoautotrophs)

B. Anoxygenic photosynthesis (prokaryotes only)

π.χ. 6CO2 + 6Η2S->bacteriochlorophyll/light--> C6Η12Ο6+ 6 sulfur (elemental sulfur,approx)

1. Nitrogen fixation: some bacteria can break the triple covalent bond of N2, reduce and produce NH3 ammonia->ammonium NH4+ which can then be used by plants to synthesis amino acids. Symbiotic Rhizobium and legumes. root nodules, symbiotic relationships. Rhizobium convert N2 into ammonia/ammonium which plant can use to synthesize amino acids. Nitrogen-fixing bacteria also include cyanobacteria, Azotobacter, Bacillus και Clostridium, nitrifying bacteria, denitrifying bacteria

2. Nitrification: ammonium-> nitrite/nitrate

3. Denitrification-: nitrate-> N2, loss of &ldquousable nitrogen&rdquo. Farmers do not wish denitrification to occur, however helpful in treating seqwage (why?)


Austin, C. & Ellis, J. 2003 Microbial pathways leading to steroidal malodour in the axilla. Journal of Steroid Biochemistry and Molecular Biology 87, 105–110.

Casey, J., Ellis, J.E., Hyliands, D., James, A.G., Mycock, G. & Taylor, D. 2000 Method of reducing or preventing malodour. US patent 6 162 422 (Unilever).

Casey, J., James, A.G., Ellis, J.E., Mycock, G. & Taylor, D. 2001 Method of reducing or preventing malodour. US patent 6 171 582 (Unilever).

Dommes, P., Dommes, V. & Kunau, W.-H. 1983 b-Oxidation in Candida tropicalis. Εφημερίδα της Βιολογικής Χημείας 258, 10846–10852.

Gower, D.B., Holland, K.T., Mallet, A.I., Rennie, P.J. & Watkins, W.J. 1994 Comparison of 16-androstene steroid concentrations in sterile apocrine sweat and axillary secretions: interconversions of 16-androstenes by the axillary microflora – a mechanism for axillary odour production in man? Journal of Steroid Biochemistry and Molecular Biology 48, 409–418.

Holland, K.T. 1993 Nutrition of cutaneous resident microorganisms. Σε The Skin Microflora and Microbial Skin Disease, επιμ. Noble, W.C. pp. 33–72. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-40198-4.

Labows, J.N., McGinley, K.J. & Kligman, A.M. 1982 Perspectives on axillary odor. Journal of the Society of Cosmetic Chemists 34, 193–202.

Leyden, J.J., McGinley, K.J., Holzle, E., Labows, J.N. & Kligman, A.M. 1981 The microbiology of the human axilla and its relationship to axillary odor. Journal of Investigative Dermatology 77, 413–416.

Massey, L.K., Sokatch, J.R. & Conrad, R.S. 1976 Branched-chain amino acid catabolism in bacteria. Bacteriological Reviews 40, 42–54.

Moat, A.G. & Foster, J.W. 1988 Carbohydrate metabolism and energy production. In Microbial Physiology, 2η έκδ. pp. 118–220. Νέα Υόρκη: John Wiley & amp Sons.

Natsch, A., Gfeller, H., Gygax, P., Schmid, J. & Acuna, G. 2003 A specific bacterial aminoacylase cleaves odorant precursors secreted in the human axilla. Εφημερίδα της Βιολογικής Χημείας 278, 5718–5727.

Nicolaides, N. 1974 Skin lipids: their biochemical uniqueness. Επιστήμη 186, 19–26.

Nicolaides, N. & Apon, J.M.B. 1977 The saturated methyl branched fatty acids of adult human skin surface lipid. Biomedical Mass Spectrometry 4, 337–347.

Petersen, L.J. 1999 Interstitial lactate levels in human skin at rest and during an oral glucose load: a microdialysis study. Clinical Physiology 19, 246–250.

Parekh, J.C. 2002 Axillary odor: its physiology, microbiology and chemistry. Cosmetics and Toiletries 117, 53–62.

Pirnik, M.P. 1977 Microbial oxidation of methyl branched alkanes. CRC Critical Reviews in Microbiology 5, 413–422.

Spielman, A.I., Zeng, X-N., Leyden, J.J. & Preti, G. 1995 Proteinaceous precursors of human axillary odor: isolation of two novel odor-binding proteins. Experientia 51, 40–47.

Taylor, D., Daulby, A., Grimshaw, S., James, G., Mercer, J. & Vaziri, S. 2003 Characterisation of the microflora of the human axilla. International Journal of Cosmetic Science 25, 137–145.

Thierry, A., Maillard, M-B. & Yvon, M. 2002 Conversion of L-leucine to isovaleric acid by Propionibacterium freudenreichii TL 34 and ITGP23. Εφαρμοσμένη και Περιβαλλοντική Μικροβιολογία 68, 608–615.


Short-term increase in fiber alters gut microbiome

Researchers have found that a 2-week increase in fiber intake can significantly alter a person’s gut microbiome, including increasing species of bacteria that break down fiber.

However, the quantity of short-chain fatty acids (SCFAs) did not increase. SCFAs are the result of bacteria breaking down fiber, and they have diverse roles within the body.

For instance, SCFAs are used as a source of energy for the cells of the colon and are involved in cell signaling. Some SCFAs also have anti-inflammatory properties and might influence insulin sensitivity and body weight.

The research, which appears in the journal mSystems, lays the groundwork for future studies to explore in more detail the relationship between fiber intake, gut bacteria, and SCFAs.

Fiber plays an important role in human health. For example, a recent review of various meta-analyses found that people who eat the most fiber significantly reduce their chances of dying due to a cardiovascular event.

However, only 1 in 20 people in the United States consume the recommended amount of fiber.

According to Dr. Katrine Whiteson, associate professor of molecular biology and biochemistry, co-director of the University of California, Irvine (UCI) Microbiome Initiative, and co-author of the present study:

“The lack of fiber intake in the industrialized world is starving our gut microbes, with important health consequences that may be associated with increases in colorectal cancer, autoimmune diseases, and even decreased vaccine efficacy and response to cancer immunotherapy.”

The small intestine cannot digest fiber. Instead, according to the authors of the present study, it passes into the colon, where microbes are able to break the fiber down.

This process results in the production of SCFAs. Experts believe they are important for a range of factors affecting a person’s health.

The authors of the present study wanted to study the relationship between a short-term increase in dietary fiber, the makeup of the gut microbiome, and the presence of SCFAs.

To investigate, the researchers conducted a study involving 26 undergraduate students enrolled on a biology course at UCI, as well as their instructors.

In week 1, participants ate their normal diet and provided three stool samples for analysis.

In week 2, the participants started a high fiber diet. They tracked their nutritional intake using a fitness app, aiming for 40 grams (g) of fiber each day. To assist, the researchers provided them with 10 meals each week that were high in fiber from a range of different plants.

In the third week, the participants were encouraged to increase their fiber intake to 50 g per day. During this week, participants provided another three stool samples.

According to graduate student Andrew Oliver, a teaching assistant for the course, “students raised their fiber intake by an average of 25 g per day, but the variability of pre-intervention fiber intake was substantial.”

“A few students had to go from nearly zero to 50 g daily by the end of the study. We all became a little obsessed with how much fiber was in the food we were eating.”

The researchers then analyzed the samples using DNA sequencing to identify the makeup of the bacteria. They used gas chromatography to measure SCFAs.

The researchers found that the composition of the participants’ gut microbiomes changed by around 8% following the dietary intervention.

This was largely due to increases in bacteria known for breaking down fiber, including Bifidobacterium, Bacteroides, και Πρεβοτέλλα.

However, the researchers saw no statistically significant increase in SCFAs. They speculate that this may be because stool samples do not accurately represent levels of SCFAs in the gut, which are primarily found in the cell walls of the intestines.

The researchers also suggest that the 2-week intervention may not have been long enough to see any difference in SCFAs.

According to Dr. Whiteson, “we hope to carry out longer dietary fiber interventions and study how fiber can support the gut microbiome and promote health.”

“At this time during a pandemic, when we need our immune health and healthy vaccine responses, we encourage everyone to think about the plant diversity of their diets and add some beans, berries, and avocados where they can.”


Επιλογές πρόσβασης

Αποκτήστε πλήρη πρόσβαση στο περιοδικό για 1 έτος

Όλες οι τιμές είναι τιμές NET.
Ο ΦΠΑ θα προστεθεί αργότερα στο ταμείο.
Ο υπολογισμός του φόρου θα οριστικοποιηθεί κατά το ταμείο.

Αποκτήστε περιορισμένο χρονικό διάστημα ή πλήρη πρόσβαση στο άρθρο στο ReadCube.

Όλες οι τιμές είναι τιμές NET.


New synthetic biology technique boosts microbial production of diesel fuel

Significant boosts in the microbial production of clean, green and renewable biodiesel fuel has been achieved with the development of a new technique in synthetic biology by researchers with the U.S. Department of Energy (DOE)'s Joint BioEnergy Institute (JBEI). This new technique -- dubbed a dynamic sensor-regulator system (DSRS) -- can detect metabolic changes in microbes during the production of fatty acid-based fuels or chemicals and control the expression of genes affecting that production. The result in one demonstration was a threefold increase in the microbial production of biodiesel from glucose.

"The DSRS is an amazing and powerful new tool, the first example of a synthetic system that can dynamically regulate a metabolic pathway for improving production of fatty acid-based fuels and chemicals while the microbes are in the bioreactor," says Jay Keasling, CEO of JBEI and one of the world's foremost practitioners of synthetic biology, who led this research.

Keasling, who also serves as the Associate Laboratory Director for Biosciences at Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) is the corresponding author of a paper describing this research in Nature Biotechnology. The paper is titled "Design of a dynamic sensor-regulator system for production of FAbased chemicals and fuels." Co-authors are Fuzhong Zhang and James Carothers of JBEI's Fuels Synthesis Division, which is directed by Keasling.

The need for new transportation fuels that are renewable and can be produced in a sustainable fashion has never been more urgent. Scientific studies have consistently shown that liquid fuels derived from plant biomass are one of the best alternatives if a cost-effective means of commercial production can be found. Major research efforts to this end are focused on fatty acids -- the energy-rich molecules in plant cells that have been dubbed nature's petroleum. Fatty acids now serve as the raw materials not only for biodiesel fuel, but also for a wide range of important chemical products including surfactants, solvents and lubricants.

"Microbial production of fuels and chemicals from fatty acids is a greener and sustainable alternative to chemical synthesis," says Zhang, who is the lead author of the Βιοτεχνολογία της φύσης χαρτί. "However, high productivities, titers and yields are essential for microbial production of these chemical products to be economically viable, particularly in the cases of biofuels and low-value bulk chemicals."

Hampering microbial production of fatty acid-based chemicals has been metabolic imbalances during product synthesis.

"Expression of pathway genes at too low a level creates bottlenecks in biosynthetic pathways, whereas expression at too high a level diverts cellular resources to the production of unnecessary enzymes or intermediate metabolites that might otherwise be devoted to the desired chemical," Zhang says. "Furthermore, the accumulation of these enzymes and intermediate metabolites can have a toxic effect on the microbes, reducing yield and productivity."

Using the tools of synthetic biology, there have been several strategies developed to meet this challenge but these previous strategies only provide static control of gene expression levels.

"When a gene expression control system is tuned for a particular condition in the bioreactor and the conditions change, the control system will not be able to respond and product synthesis will suffer as a result," Zhang says.

The DSRS responds to the metabolic status of the microbe in the bioreactor during synthesis by sensing key intermediate metabolites in an engineered pathway. The DSRS then regulates the genes that control the production and consumption of these intermediates to allow their delivery at levels and rates that optimize the pathway for maximum productivity as conditions change in the bioreactor.

"Nature has evolved sensors that can be used to sense the biosynthetic intermediate, but naturally-occurring regulators will rarely suffice to regulate an engineered pathway because these regulators were evolved to support host survival, rather than making chemicals in large quantity," Zhang says.

To create their DSRS, Zhang, Keasling and Carothers focused on a strain of Escherichia coli (Ε. Coli) bacteria engineered at JBEI to produce diesel fuel directly from glucose. Ε. Coli isa well-studied microorganism whose natural ability to synthesize fatty acids and exceptional amenability to genetic manipulation make it an ideal target for biofuels research. In this latest work, the JBEI researchers first developed biosensors for a key intermediate metabolite -- fatty acyl-CoA -- in the diesel biosynthetic pathway. They then developed a set of promoters (segments of DNA) that boost the expression of specific genes in response to cellular acyl-CoA levels. These synthetic promoters only become fully activated when both fatty acids and the inducer reagent known as "IPTG" are present.

"For a tightly regulated metabolic pathway to maximize product yields, it is essential that leaky gene expressions from promoters be eliminated," Zhang says. "Since our hybrid promoters are repressed until induced by IPTG, and the induction levels can be tuned automatically by the FA/acyl-CoA level, they can be readily used to regulate production of biodiesel and other fatty acid-based chemicals."

Introducing the DSRS into the biodiesel-producing strain of E.coli improved the stability of this strain and tripled the yield of fuel, reaching 28-percent of the theoretical maximum. With further refinements of the technique, yields should go even higher. The DSRS should also be applicable to the microbial production of other chemical products, both fatty acid-based and beyond.

"Given the large number of natural sensors available, our DSRS strategy can be extended to many other biosynthetic pathways to balance metabolism, increase product titers and yields, and stabilize production hosts," Zhang says. "It should one day be possible to dynamically regulate any metabolic pathway, regardless of whether a natural sensor is available or not, to make microbial production of commodity chemicals and fuels competitive on a commercial scale."

This research was supported in part by the DOE Office of Science, and in part by the National Science Foundation through the Synthetic Biology Engineering Research Center (SynBERC).


New metabolism discovered in bacteria

While acetic acid creating bacteria and methanogens are dependent on the transfer of hydrogen in anoxic biotopes, Acetobacterium woodii recycles hydrogen within its cell. Credit: Sarah Ciurus, Goethe University Frankfurt.

They make sauerkraut sour, turn milk into yogurt and cheese, and give rye bread its intensive flavour: bacteria that ferment nutrients instead of using oxygen to extract their energy. Acetobacterium woodii (short: A. woodii) is one of these anaerobic living microbes. Cheese and bread are not its line of business—it lives far from oxygen in the sediments on the floor of the ocean, and can also be found in sewage treatment plants and the intestines of termites.

These biotopes are teeming with microbes that use the organic substances to their advantage in different ways. A number of bacteria ferment sugars, fatty acids and alcohols to acetic acid, also creating hydrogen (H2) in the process. In higher concentration, however, hydrogen inhibits the fermentation—too much hydrogen stops the fermentation reaction. For this reason, fermenting bacteria live together with microbes that depend on precisely this hydrogen—methanogens, for example, that create methane from hydrogen and carbon dioxide and thus gain energy. Both partners profit from this association—and are simultaneously so dependent on each other that neither one can survive without the other.

A. woodii masters both disciplines of the anaerobic "hydrogen association": it can ferment organic substances into acetic acid, and can also form acetic acid from carbon dioxide and hydrogen. In doing so, A. woodii recycles the important hydrogen within its own cell, as has now been discovered by the microbiologists in Professor Volker Müller's team at the Institute for Molecular Biosciences at Goethe University Frankfurt.

In the laboratory, the Frankfurt scientists turned off the gene for the enzyme that creates hydrogen in A. woodii, which is called hydrogenase. The result: the bacterium was only able to grow, for example in a medium with fructose, if hydrogen was added externally. Different additional tests confirmed that both paths for creating acetic acid are connected to hydrogen that does not leave the cell.

"Though the 'hydrogen recycling' we discovered, A. woodii possesses a maximum of metabolic flexibility," says the Frankfurt experimenter Dr. Anja Wiechmann. "In one cycle, it can both create and use hydrogen itself, or utilise hydrogen from external sources. This makes it capable of living both from organic as well as solely from inorganic substances."

Professor Volker Müller explains: "Our findings have implications far beyond the study of Acetobacterium woodii. There have already been speculations that many ancient life forms possess the kind of metabolism that we have described in A. woodii. This is assumed, for example for the Asgard archaea that were just discovered a few years ago on the seabed off of California. Our investigations provide the first evidence that these paths of metabolism actually exist."