01.11.10 – extremophile mikroorganismen – interessante biokatalysatoren? 08.11.10 –...
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01.11.10 – Extremophile Mikroorganismen – interessante Biokatalysatoren? 08.11.10 – Aufarbeitung und Bioprozessführung – getauscht mit A. Zehnsdorfer
15.11.10 - Von der gläsernen zur maßgeschneiderten Zelle?
06.12.10 - Thermodynamik zellularer Prozesse
VL Reihe – „Weiße Biotechnologie“
Beiträge der AG Maskow
Extremophile Mikroorganismen
–
interessante Biokatalysatoren?
Stand: 01.11.2010
Für Anfragen und Anregungen :
PD Dr. Thomas Maskow
Helmholtzzentrum für Umweltforschung - UFZ
Department Umweltmikrobiologie
Permoserstr. 15
E-mail: [email protected]
Tel. 0341/235-1328
Fax: 0341/235-1351
Inhalt:
• Warum sind extremophile Mikroorganismen interessant ?
• Quellen extremophiler Mikroorganismen• Pheno- und genotypische Besonderheiten• Technische Bedeutung extremophiler
Mikroorganismen• Potential extremophiler Mikroorganismen und
Ausblick
We teach
microbiology
But we learn
from microbes
Das versteckte Potenzial der Mikroorganismen:
• Die Zahl der prokaryotischen Zellen 6,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 (6 x 1030) • 50% des Weltkohlenstoffes, 90% des Stickstoffs undPhosphors, sowie 108 Spezies.• 1 Gramm Boden < 109 Bakterien mit 1 000 – 5 000 Spezies.• Stammsammlungen beinhalten < 105
Spezies • > 90% manchmal >99% der Spezies einer Umweltprobe sind noch nicht
kultivierbar. • Versteckte Diversität von Pilzen + Protisten kaum untersucht. • E. coli etwa 2000 metabolische Reaktionen
Gewaltiges Synthesepotenzial technische Anwendungen !!!
Extremophile(überleben unter „lebensfeindlichen“ Bedingungen)
Resistenzmechanismen Besondere Produkte Autosteriles Arbeiten
• Extremozyme
Temperatur – vR
Halotolerant – C(Edukt, Produkt)
pH – Waschmittelzusätze
• Protektormoleküle
Sterilität –
Kostenfaktor biotechnologischer
Verfahren
Quelle: www.mibi.uni-bonn.de/extremophile.jpg
Quellen (Habitate) extremophiler
Mikroorganismen
Extremophile::
• Hyperthermophile (- 105°C)• Psychrophile (-7 – 15oC)• Halophile (- Sättigung)• Acidophile (- pH 0,5)• Alkaliphile (- pH 11)• Baro- oder Piezophile (> 800 atm)
Tiefsee
Bauwerke Heiße Quellen
Sodaseen/-wüsten
Gletscher Tiefsee
Salzseen
Nutzung von ExtremophilenHYPERTHERMOPHILE (Quelle) NutzenDNA polymerase DNA amplification by PCRAlkaline phosphatase DiagnosticProteasen und Lipasen Milch produkteLipasen, pullulanases and proteases DetergentienProteasen Bäckerei und Brauerei, Aminosäure
produktion aus KeratinAlkoholdehydrogenase Chemische SynthesenXylanases PapierbleicheS-layer proteine und Lipide Molekulare SiebeOil abbauende Mikroorganismen Surfactants für die ÖlgewinnungSchwefeloxidierende Bakterien Bioleaching, Kohle & Abgas
EntschwefelungHyperthermophilic consortia Abfallbehandlung und Methan-
produktion
PSYCHROPHILE Nutzen
Alkaline phosphatasen MolekularbiologieProteasen, Lipasen Detergentien, Zellulasen und AmylasenLipasen und Proteasen Käseherstellung und MilchverarbeitungProteasen Reinigungslösung für KontaktlinsenUngesättigte Fettsäuren Nahrungsmittelergänzung, Diätzusätzeb-galactosidasen Laktose Hydrolyse in MilchproduktenIce nucleating proteins Künstlicher Schnee, EiskremIce minus microorganisms Frostschutz für empfindliche PflanzenVerschiedene Enzyme Bioremediation, Biosensoren(e.g. oxidases) Methanogene Methanproduktion
ALKALIPHILE (Quelle) Nutzen
Proteasen, Cellulasen, Xylanasen, DetergentienLipasen and PullulanasenProteasen Gelatine Entfernung von
RöntgenfilmenElastasen, Keritinasen EnthaarungCyclodextrine Lebensmittel, Transport und Schutz von
Wirkstoffen, Enantiomerentrennung,Pharmazie
Alkaliphile Halophile ÖlgewinnungVerschiedene Mikroorganismen Antibiotika
ACIDOPHILE (Quelle) Nutzen
Schwefel oxidierende Metallgewinnung und Entschwefelung vonMikroorganismen KohleMikroorganismen Organische Säuren und Lösemittel
Alkohol dehydrogenase
Alkohol dehydrogenase (ADH) von der Archaea Sulfolobus solfataricus
Arbeitet unter harschen (vulkanischen) Bedingungen 88°C (fast siedendes Wasser), pH= 2 – 3.5 (Schwefelsäure-konzentrationen wie in Autobatterien)
ADH katalysiert die Konversion
unterschiedlicher Alkohole und hat erhebliches biotechnologisches Potential wegen seiner besonderen Stabilität
Halo- und osmophile Mikroorganismen
Extrem durch niedrige WasseraktivitätenWasseraktivität Habitat Bewohner
1.000 Reines H2O Caulobacter, Spirillum
0.995 Menschliches Blut Streptococcus, Escherichia
0.980 Meerwasser Pseudomonas, Vibria
0.800 Marmelade, Obstkuchen Penicillum
0.750 Gesalzener Fisch, Salzseen Halobacterium, Halococcus
0.700 Getreide, Trockenobst Xerophile Pilze
1 g gereinigtes Meersalz enthält 106 Mikroorganismen !!!
Wasseraktivität beeinflusst durch:
• Salze
• Zucker
• Wassermangel
• Halotolerant/-phil
• Osmophil
• Xerophil
Halotolerant oder Halophil ?
Tolerieren höhere Salzgehalte, sind aber nicht darauf angewiesen
NaCl-Gehalt Bezeichnung
1 – 6 % Schwach halophil
6 – 15 % Moderat halophil
> 15 % Extrem halophil
Salzsee Südrussland, Luftbildaufnahme
Quelle von Halophilen
Sodaseen: Etoscha-Pfanne, Namibia
Künstliche Habitate: Salzgewinnung aus Meerwasser
Oren A (2002) Halophilic microorganisms and their environment. Klywer Academic Press
Trockene Oberflächen
ResistenzmechanismenSalt – in Strategie Compatible-Solute Strategie
Osmotisches
Gegengewicht:
K+ Kleine, organische Moleküle;
Kompatibel zum Metabolismus (Compatible Solutes)
Nachteil: Benötigt spezielle, salz-tolerante Enzyme
Energetische Kosten der Synthese von Compatible Solutes
Vertreter: aerobe extrem halophile Archea,
Halobacteriales
anaerobe extrem halophile Archea, Haloanaerobiales
Vertreter aus allen 3 Domänen des Lebens
• Archea
• Bacteria
• Eucarya
Vorteil: Standard-Enzyme„kostet“ wenig Energie;
Na+/H+ Antiporter; 1:2 - 2:3
primäre Na+ Pumpen
Bisherige technische Anwendungen Habitat• Quelle für Carotinoide (Bacterioruberine) als Nahrungsergänzungs-
mittel, -färbemittel
• Produzenten während der Fermentation von Sojasoße und Thaifischsoße
Oren A (2002) Halophilic microorganisms and their environment. Klywer Academic Press
Halophile Enzyme
Widerstehen hohen Ionenstärken
Interessant für hohe ionische Edukt-/ Poduktkonzentrationen
Halophile dihydrofolat Reductase des Aarchaeon Haloferax
volcanii, isoliert aus dem Toten Meer • Einzigartige molekulare
Struktur (aktiv, stabil und löslich bei hohen Ionenstärken)
• Hoher Anteil saurer AS• Kleiner Anteil
hydrophober AS• viele Salzbrücken• Aber: noch vieles
unbekannt
Vergleich der dihydrofolat Reductase
• Halophil nicht-halophil
Anwendungen
• Viele mögliche Anwendungen von Halophilen werden untersucht:– Erdölextraktion – Gentechnischer Einbau halophiler Enzyme in
Pflanzen um die Salztoleranz zu steigern. – Behandlung von Abwässern.
BacteriorhodopsinPhysiologische Funktion: Licht grüner Spektralbereich 570 nm - protonenmotorische Kraft
Arbeitsweise: Ändert Protonisierung/Farbe in 10 ms -> technische Anwendungen
pumpt ein Proton pro Photon
Technisches Potential von BR folgt aus Licht ->Signal zu wandeln:
• Ladungstrennung
• Farbänderung
Technische Anwendungen:• Elektrostatische Energie -> photovoltaische Zelle Prototyp: 5-10 Jahre
• Während der Lichtspeicherung ändert BR die Farben• Lichtmodulatoren
• Hochauflösende Displays Prototyp entwickelt
• Genetische Techniken helfen:• Variation der Lebensdauer der Zustände
• Anregungswellenlänge
• Grundlage für 3D Speicher extrem kleiner Größe (1 Molekül reicht), hoher
Speicherkapazität pro Volumeneinheit
• Bewegungssensoren Prototypen entwickelt
• künstliche Netzhaut Prototypen entwickelt
• Licht -> elektrisches Signal -> Photozelle
Primär osmotisches Gegengewicht aber auch generelle Schutzfunktion!
Compatible Solutes – Protektormoleküle !
Schützen: Enzyme, biologische Strukturen aber auch ganze Zellen
gegen:
• Hohe Ionenstärken
• Trockenheiten
• Hohe Temperaturen
• Niedrige Temperaturen
• Gefrieren
• Denaturierende Lösemittel
• UV-Strahlung
Ursachen der generellen Schutzfunktion?
Preferential exclusion theory:
• Unterstützen die Wasserstruktur
Arakawa, T und Timascheff SN (1985) The stabilisation of proteins by osmolytes. Biophys. J. 47: 411-414Suenobu K, Nagaoka M (1998) Ab into molecular orbital study on molecular and hydration structure of ectoine. J. Phys. Chem. A 102: 7505-7511
• CS verstärken hydrophobe Kräfte
• CS wirken der Entfaltung von Proteinen entgegen
Compatible Solutes – Protektormoleküle !
Compatible Solutes: Struktur -> Funktion ?
Anderer Typen:
Dimethylsulfoniumpropionat
Vom Polyoltyp:
Glycerol Mannitol
Vom Kohlenhydrattyp: SucroseTrehalose
Vom Aminosäuretyp: EctoinProlinGlycinbeta
in
N+
CH2CH3
CH3
CH3
COO- N+
HH
COO-N
N COO-CH3
+
O
OH
OH
OH
O
O
CH2OH
OH
OH
OH
CH2OH
CH2OH
CHOH
CH2OH
C H2O H
C H
C H
OH
OH
CH O H
CH O H
C H2O H
S+COO-H3C
CH3
O
OH
OH
OH
O
CH 2OH
O
OH
OH
CH2OH
HOH2C
Welche Compatible Solutes kommen woher?
Mikroorganimus Compatible SolutesNichtphototrophe, grampositive Bakterien Glycinbetain, Prolin
Nichtphototrophe, gramnegative Bakterien Glutamat
Süßwasser-Cyanobakterien Saccharose, Trehalose
Marine Cyanobakterien Glycosylglycerin
Marine Algen Mannit, verschiedene Glykoside, Prolin, Dimethylsulfonpropionat
Salzsee-Cyanobakterien Glycinbetain
Halophile anoxygene phototrophe Bakterien
Glycinbetain, Ectoin, Trehalose
Extrem halophile Archea KCl
Halophile Grünalge Dunaliella Glycerin
Xerophile Hefen Glycerin
Xerophile fadenförmige Pilze Glycerin
Bakterienmelken 1. Phase (Wachstum und Synthese)
Wachstum und Ectoinbildung in Gegenwart hoher Ionenstärken
Quelle: www.bitop.deVorzüge:
• 3-4 Zyklen möglich
• funktioniert mit Molekülen bis 10 kDa
• erprobt von 1-3500 L
2. Phase (Produktabtrennung)
Biomasse angereichert cross-flow Filtration.
hypoosmotischen Shock -> Freisetzung der CS durch die MSC.
Zelllyse findet nicht statt, hohe Produktreinheit
Biomasse wird angereichert, CS im Permeat
3. Phase (Synthese)
Auffüllen mit hochkonzentrierter Salzlösung,
Synthese von CS
CS - Compatible Solutes
MSC - Mechanosensitive Kanäle
Eigenschaften des CS Ectoin in der Kosmetik
Beispiele für die Nutzung dieses neuesten Produktes am Markt
Ectoin ist Bestandteil der Salben der Marktführer
• Shiseido• Kanebo• Sebamed• Marbert• Dadosens
Es gibt “nach heutiger Erkenntnis” 3 Anforderungen für Leben: WasserEnergieKohlenstoff
Astrobiologen suchen gegenwärtig Leben auf dem Mars, dem Jupiter Mond Europa und dem Saturn Mond Titan
Solches Leben sollte unseren Extremophilen ähnlich sein, weil es extremer Kälte, Drücken und Trockenheit widerstehen muss.
“Schlammlawinen” wurden auf dem Mars gefunden (links). Diese könnten durch Wasserabgänge verursacht sein. Psychrophile könnten dort noch existieren.
Leben im Weltall?
Leben im Weltall?
Europa soll eine Eiskruste haben, die einen 30-Meilen tiefen Ozean umgibt. Die rötlichen Sprünge im Eis werden als Hinweise auf Leben gesehen.
Der Mond Titan ist von einem dunstigen Gas umgeben, das organische Moleküle wie Methan enthalten soll. Das könnte die Basis für Leben auf der Titanoberfläche liefern.
Leben im Weltall?
Links ist ein 3,6 Milliarden Jahre alter Meteorit vom Mars zu sehen, den man in der Antarktis gefunden hat. Man fand in ihm merkwürdige Bakterien-ähnliche Strukturen, die allerdings sehr klein sind (ca. 40-50 nm). Auf der Erde sind nur die Mycoplasmen derart klein. Man vermutet auf dem Mars damals eine ähnliche Atmosphäre wie auf der Erde. Denkbar wären Mikroorganismen wie die Cyanobakterien, die Wissenschaftler sind sich jedoch nicht einig.
Meteorite enthalten Amino säuren und einfache Zucker. Wichtige Bausteine für Leben. Meteorite können als “Transporter”dienen um Lebenskeime im Universum zu verteilen.
Eine probe von stratospherischer Luft zeigt ein bakterielle Diversität 41 km über der Erdoberfläche. (Lloyd, Harris, & Narlikar, 2001)
Indeed, we may not be alone
Leben im Weltall?
Kleines Pepetitorium:
• Was charakterisiert Extremophile und warum sind sie technologisch
besonders interessant?
• Welche Abwehrmechnanismen hat die Natur gegen Salzbelastungen
entwickelt? Nennen Sie Vor- und Nachteile.
• Welche Besonderheiten der Halophilen haben technisches Interesse erregt
und warum?
Empfehlungen für weiteres LesenZur Vertiefung der Vorlesung:
Madigan TM: Brock Mikrobiologie, Spektrumverlag Heidelberg Berlin ISBN 3-8274-0566-1
Margesin R, Schinner F (2001) Potential of halotolerant and halophilic microorganisms for biotechnology. Extremophiles 5:73-83
Mehr Details:
Oren A (2002) Halophilic microorganisms and their environment. Klywer Academic Press ISBN 1-4020-0829-5
Oren A (1999) Bioenergetic aspects of holophilism. Microbiology and Molecular Biological Reviews. 63: 334-348
Madern D, Ebel C, Zaccai G (2000) Halophilic adaptation of enzymes. Extremophiles (2000) 4:91-98
Fragen ?