미생물생분해

Microbial biodegradation

미생물 생분해란 자연적으로 발생하는 미생물 유전생물 신진대사의 능력을 활용하여 탄화수소(예: 오일), 폴리염소화 비페닐(PCB), 다각성 탄화수소(PAH), 이성질소성 화합물을 포함한 환경 오염물질을 분해, 변형 또는 축적하는 생물화 및 생물화 방법을 사용하는 것이다. (피리딘 또는 퀴놀린 등), 제약 물질, 방사성핵종 및 금속.

오염 물질의 미생물 생물적 분해에 대한 관심 최근 years,[1][2]에 최근 주요 방법론적 돌파구biodegradative 경로와가 에어로빅에 대한 새로운 통찰력을 제공하는 환경적으로 관련 미생물에 대한 세부 게놈,metagenomic,bioinformatic과 다른 실험proteomic 분석을 사용하도록 설정한이 심화되고 있다.ility 변화하는 환경 조건에 적응할 수 있는 유기체.

생물학적 과정은 오염물질을 제거하는 데 중요한 역할을 하며 미생물의 캐타볼릭 다용성을 이용하여 그러한 화합물을 분해하거나 변환시킨다. 환경미생물학에서 게놈 기반의 글로벌 연구는 대사 및 규제 네트워크에 대한 이해를 높이는 것은 물론, 변화하는 환경조건으로 분해 경로와 분자적응 전략의 진화에 대한 새로운 정보를 제공하고 있다.

오염물질의 에어로빅 생분해

박테리아 유전체 데이터의 양이 증가함에 따라 유기 오염물질의 분해에 따른 유전적, 분자적 기반을 이해할 수 있는 새로운 기회가 제공된다. 방향성 화합물은 이러한 오염물질들 중 가장 지속적이며, 최근 Burkholderia Xenovorans LB400과 Rhodococcus sp. 균주 RHA1의 유전체 연구로부터 배울 수 있다. 이는 현재까지 완전하게 배열된 두 개의 가장 큰 박테리아 게놈이다. 이러한 연구들은 박테리아 카타볼리즘, 유기 화합물에 대한 비-카타볼릭 생리적 적응, 대형 박테리아 게놈의 진화에 대한 우리의 이해를 넓히는 데 도움을 주었다. 첫째, 유전학적으로 다양한 고립체로부터의 대사 경로는 전반적인 조직에서 매우 유사하다. 따라서, 원래 녹농균에서 언급된 바와 같이, 많은 수의 "주변 방향족" 경로는 제한된 수의 "중앙 방향족" 경로로 다양한 자연 및 이종 생물학적 화합물을 유입시킨다. 그럼에도 불구하고, 이러한 경로는 b-케토아디페이트와 파아 경로에서 예시된 바와 같이, 속 고유의 패션으로 유전적으로 구성된다. 비교 유전학 연구는 일부 경로가 처음에 생각했던 것보다 더 광범위하게 퍼져 있다는 것을 더 보여준다. 따라서 Box와 Paa 경로는 에어로빅 방향족 분해 과정에서 비산소성 링-세균 전략이 널리 보급되고 있음을 보여준다. 기능성 게놈 연구는 많은 수의 균질 효소를 포함하고 있는 유기체들 조차도 진정한 이중화의 예들을 거의 포함하고 있지 않은 것처럼 보인다는 것을 규명하는데 유용했다. 예를 들어, 특정 로도코칼 분리의 링클레이빙 이산화지소의 다중의 증가는 다른 테르페노이드와 스테로이드의 암호화된 방향족 포타볼리즘에 기인할 수 있다. 마지막으로, 분석 결과, 최근의 유전적 유동성이 LB400과 같은 일부 대형 게놈의 진화에 다른 것보다 더 중요한 역할을 한 것으로 나타났다. 그러나 LB400과 RHA1과 같은 강력한 오염물질 분해자들의 대규모 유전자 레퍼토리가 주로 더 오래된 과정을 통해 진화해 왔다는 것이 새로운 추세다. 이러한 유전학적으로 다양한 종에서 이것이 사실이라는 것은 주목할 만하며 더 나아가 이 격변기 능력의 고대 기원을 암시한다.[3]

오염물질의 혐기성 생물분해

완강히 저항하는 유기오염물질의 혐기성 미생물 광물화는 환경적으로 매우 중요하며 호기심을 자극하는 생화학반응을 수반한다.[4] 특히, 탄화수소와 할로겐화 화합물은 산소가 없을 때 분해될 수 있는 것으로 오랫동안 의심되어 왔지만, 지금까지 알려지지 않은 혐기성 탄화수소 분해 및 환원성 탈할로겐화 박테리아의 격리는 자연에서 이러한 과정들에 대한 궁극적인 증거를 제공했다. 그러한 연구는 초기에는 대부분 염소 처리된 화합물을 포함했지만, 최근의 연구는 방향족 농약에서 브롬과 요오드 모이에틸의 환원성 탈할로겐화를 밝혀냈다.[5] 토양 미네랄에 의한 생물학적으로 유도된 아바이오틱스 감소와 같은 다른 반응은 에어로빅 환경에서 관찰된 것보다 훨씬 더 빠르게 상대적으로 지속성 있는 아닐린 기반의 제초제를 비활성화하는 것으로 나타났다.[6] 각각의 신진대사 경로를 가능하게 하는 많은 새로운 생화학적 반응이 발견되었지만, 대부분의 박테리아에는 유전적 시스템이 쉽게 적용될 수 없기 때문에 이러한 박테리아에 대한 분자 이해의 진척은 다소 느렸다. 그러나, 환경 미생물학 분야에서 유전체학의 적용이 증가함에 따라, 이제 이러한 새로운 신진대사 특성에 대한 분자적 통찰력을 얻기 위한 새롭고 유망한 관점이 눈앞에 와 있다. 혐기성 유기오염물질 저하가 가능한 박테리아로부터 지난 몇 년 동안 몇 가지 완전한 게놈 서열이 결정되었다. 혐기성 탄화수소 디그라더(톨루엔 또는 에틸벤젠을 기판으로 사용)에 대해 최초로 결정된 것은 아로마토움 아로마토움 방향족 변종 EbN1의 약 4.7 Mb 게놈이었다. 게놈 염기서열은 방향족 화합물의 혐기성 및 에어로빅 저하를 위한 복잡한 포타볼릭 네트워크에 대한 약 24개의 유전자 군집(여러 개의 파라로그 포함) 부호를 밝혀냈다. 게놈 염기서열은 경로와 효소 구조의 규제에 관한 현재의 상세 연구의 기초를 형성한다. 혐기성 탄화수소 분해균의 추가 게놈들이 철 감소종인 지오박터 메탈리큐센스를 위해 최근에 완성되었다. NC_007517) 및 과염소산염 환원 데클로로모나스 방향제(액세션 nr) NC_007298)이지만, 이러한 것들은 아직 정식 간행물에서는 평가되지 않는다. 할로겐화 탄화수소의 혐기성 저하가 가능한 박테리아에 대해서도 완전한 게놈을 결정했다: 데할로코이데스 etenogenes 195와 데할로코이데스 CBDB1과 데설피토박테리움 hafniense 변형 Y51의 게놈이다. 이러한 모든 박테리아의 특징은 환원성 탈할로겐화(redrogency dehalogenase)를 위한 여러 파랄로겐 유전자의 존재로서, 이전에 알려진 것보다 더 넓은 유기체의 탈할로화 스펙트럼을 수반한다. 게다가, 게놈 서열은 환원성 탈할로겐화의 진화와 틈새 적응을 위한 다른 전략에 대한 전례 없는 통찰력을 제공했다.[7]

최근 클로로페놀에 대한 할로레스피레이션으로 원래 평가되었던 데설피토박테리움 클로로레오레스피랜스를 포함한 일부 유기체들은 성장을 위한 전자 수용체로 제초제 브롬시닐과 그 주요 대사물과 같은 특정한 브롬화 화합물을 사용할 수 있다는 것이 명백해졌다. 요오드화합물은 또한 탈할로겐화 될 수 있지만, 그 과정이 전자 수용기의 필요성을 충족시키지 못할 수도 있다.[5]

생물학적 이용가능성, 화학적, 오염물질의 운반

생물 이용가능성, 즉 미생물이 생리화학적으로 접근할 수 있는 물질의 양이 오염물질의 효율적인 생분해에서 중요한 요인이다. 오로플린 외 (2000년)[8]은 카올리나이트 점토를 제외하고 대부분의 토양 밀과 양이온 교환 레진은 Clay에 기질을 흡착한 결과, Arthrobacter sp. 균주 R1에 의해 2-picoline의 생물분해 감쇠된 생분해 감소를 보였다. 화학작용 또는 환경 내 화학물질을 향한 운동 유기체의 방향 이동은 환경 내 분자의 효과적인 강직주의에 기여할 수 있는 중요한 생리학적 반응이다. 또한 다양한 운반 메커니즘을 통해 방향족 분자의 세포 내 축적 메커니즘도 중요하다.[9]

오일생분해

미생물 공동체에 의한 석유유의 미생물 생물분해 개요. A. Borkumensis와 같은 일부 미생물은 탄화수소를 신진대사에서 탄소의 원천으로 사용할 수 있다. 일반방정식 CHnn + O2 → HO2 + CO에2 따라 무해한 제품을 생산하면서 환경적으로 유해한 탄화수소를 산화시킬 수 있다. 그림에서 탄소는 노란색 원으로, 산소는 분홍색 원으로, 수소는 파란색 원으로 표현된다. 이런 종류의 특별한 신진대사는 이러한 미생물들이 기름 유출의 영향을 받는 지역에서 번성하게 하고 환경오염물질을 제거하는데 중요하다.

석유 기름은 대부분의 생명체에 독성이 있는 방향성 화합물을 함유하고 있다. 석유에 의한 환경 파괴와 만성적인 오염은 지역 생태 환경에 큰 혼란을 초래한다. 특히 해양환경은 연안 지역과 공해상에서의 기름유출이 억제하기 어렵고 완화 노력을 더욱 복잡하게 만들기 때문에 특히 취약하다. 인간의 활동을 통한 오염 외에도, 매년 약 2억 5천만 리터의 석유가 자연 침출로 인해 해양 환경에 유입된다.[10] 독성에도 불구하고 해양 시스템에 유입되는 석유유의 상당 부분은 미생물 집단의 탄화수소 분해 활동, 특히 최근 발견된 전문가 집단인 탄화수소탄화수소균(HCB)에 의해 제거된다.[11] 알카니보락스 보쿠멘시스는 그것의 게놈 서열을 정리한 최초의 HCB였다.[12] 원유는 탄화수소 외에도 피리딘과 같은 다양한 헤테로사이클릭 화합물을 함유하는 경우가 많은데, 이는 탄화수소와 유사한 메커니즘에 의해 분해되는 것으로 보인다.[13]

콜레스테롤생분해

일부 성호르몬과 같은 합성 스테로이드 화합물이 시와 산업폐기물에서 자주 나타나며, 강한 신진대사 활동이 생태계에 부정적인 영향을 미치는 환경오염물질로 작용한다. 이 화합물들은 많은 다른 미생물의 탄소 공급원이기 때문에 에어로빅과 혐기성 광물화는 광범위하게 연구되어 왔다. 이러한 연구의 관심은 성호르몬과 코르티코이드의 산업적 합성을 위한 스테롤 변환 효소의 생명공학적인 적용에 있다. 아주 최근에 콜레스테롤의 카테콜리즘은 병원체 마이코박테리움 결핵(Mtb)의 감염에 관여하기 때문에 높은 관련성을 획득했다.[1][14] mtb는 결핵병을 유발하며, 새로운 효소 아키텍처가 이 유기체에서 콜레스테롤과 다른 스테로이드 이용 박테리아와 같은 스테로이드 화합물을 결합하고 수정하도록 진화했다는 것이 증명되었다.[15][16] 이 새로운 효소들은 스테로이드 기판의 화학적 수정 가능성에 관심이 있을 수 있다.

폐기물 바이오처리 분석

지속가능한 개발을 위해서는 환경관리의 촉진과 인공활동 증가로 발생하는 대량의 폐기물을 처리하기 위한 신기술의 지속적인 탐구가 필요하다. 생물을 이용한 폐기물의 처리인 생물처리는 물리화학적 정화 선택사항의 환경 친화적이고 비교적 단순하며 비용 효율적인 대안이다. 생체 반응기와 같은 제한된 환경은 고도로 통제된 시스템에서 생물 처리 과정의 물리적, 화학적, 생물학적 제한 요인을 극복하도록 설계되었다. 밀폐된 환경 설계에서 뛰어난 다용성은 최적화된 조건 하에서 광범위한 폐기물을 처리할 수 있다. 정확한 평가를 수행하기 위해서는 다양한 게놈과 표현된 성질과 단백질을 가진 다양한 미생물을 고려할 필요가 있다. 많은 분석이 종종 필요하다. 전통적인 게놈 기법을 사용하면 그러한 평가는 제한적이고 시간이 많이 소요된다. 그러나, 원래 의학 연구를 위해 개발된 몇 가지 고투과 기술을 제한된 환경에서 생체 치료를 평가하기 위해 적용할 수 있다.[17]

대사공학 및 생체분석 응용

환경에서의 지속적인 유기 화학물질의 운명에 관한 연구는 이미 조종사 및 산업 규모에서조차 다수의 산소를 위해 이용되고 있는 준비성 유기합성의 큰 잠재력을 가진 효소 반응의 큰 저장소를 밝혀냈다. 새로운 촉매들은 메타게놈 도서관과 DNA 염기서열 기반 접근법에서 얻을 수 있다. 합리적이고 무작위적인 돌연변이 유발에 의한 특정 반응과 공정 요구사항에 촉매들을 적응시키는 우리의 능력 증가는 미세 화학 산업뿐만 아니라 생물분해 분야에서도 적용 범위를 넓힌다. 많은 경우, 이러한 촉매들은 전체 세포 생물학 또는 발효에 이용될 필요가 있으며, 시스템 생명공학 및 합성 생물학 영역에서 점점 더 많이 제시되고 있는 전 세포의 공학에 대한 합리적인 접근과 긴장된 생리학 및 신진대사를 이해하기 위한 시스템 차원의 접근법을 요구한다.[18]

진균생분해

생태계에서, 다른 기질들은 다른 왕국의 유기체들의 컨소시엄에 의해 다른 비율로 공격받는다. 아스페르길루스와 다른 곰팡이들은 녹말, 헤미셀로오스, 셀룰로오스, 펙틴, 그리고 다른 설탕 중합체들을 재활용하는 데 능숙하기 때문에 이러한 컨소시엄에서 중요한 역할을 한다. 어떤 아스페르길리는 지방, 오일, 치틴, 케라틴과 같은 더 많은 내화성 화합물을 분해할 수 있다. 최대 분해는 질소, 인, 그리고 다른 필수 무기 영양소가 충분할 때 발생한다. 곰팡이는 또한 많은 토양 유기체들에게 음식을 제공한다.[19]

아스페르길루스에게 있어 분해 과정은 영양분을 얻는 수단이다. 이러한 주형들이 인간이 만든 기판을 분해할 때, 그 과정을 보통 생물계질화라고 부른다. 종이와 직물(코튼, 주트, 린넨) 모두 아스페르길루스 분해에 특히 취약하다. 우리의 예술 유산도 아스페르길루스 습격의 대상이다. 한가지 예를 들어, 1969년 이탈리아의 플로렌스가 홍수를 일으킨 후, 오그니산티 교회에서 손상된 기란다이오 프레스코로부터 격리된 것의 74%가 아스페르길루스 베르시콜로르였다.[20]

참고 항목

참조

  1. ^ a b Koukkou, Anna-Irini, ed. (2011). Microbial Bioremediation of Non-metals: Current Research. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-83-7.
  2. ^ Díaz, Eduardo, ed. (2008). Microbial Biodegradation: Genomics and Molecular Biology (1st ed.). Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-17-2.
  3. ^ McLeod MP, Eltis LD (2008). "Genomic Insights Into the Aerobic Pathways for Degradation of Organic Pollutants". Microbial Biodegradation: Genomics and Molecular Biology. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-17-2.
  4. ^ Jugder, Bat-Erdene; Ertan, Haluk; Lee, Matthew; Manefield, Michael; Marquis, Christopher P. (2015). "Reductive Dehalogenases Come of Age in Biological Destruction of Organohalides". Trends in Biotechnology. 33 (10): 595–610. doi:10.1016/j.tibtech.2015.07.004. ISSN 0167-7799. PMID 26409778.
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  20. ^ Bennett JW (2010). "An Overview of the Genus Aspergillus" (PDF). Aspergillus: Molecular Biology and Genomics. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-53-0. Archived from the original (PDF) on 2016-06-17.