싱트로피

Syntrophy

생물학에서, 싱트로피, 싱트로피,[1] 또는 크로스피드(그리스의 동의어로부터, 영양을 의미하는 열대)는 한 종이 다른 종의 신진대사 산물을 먹고 사는 현상이다. 이러한 유형의 생물학적 상호작용에서 한 파트너의 성장은 다른 파트너가 제공하는 영양소, 성장 요인 또는 기질에 따라 달라진다. Jan Dolfing은 싱트로피를 "생산자와 소비자 사이의 중요한 상호의존성"[2]이라고 묘사한다. 영양의 상호의존성에 대한 이 용어는 박테리아 종들 사이의 이러한 공생 관계를 설명하기 위해 미생물학에서 종종 사용된다.[3][4] 모리스 외 그 과정을 "자연스럽게 상호주의적인 신진대사"라고 묘사했다.[5]

미생물 시네트로피

싱트로피는 많은 미생물 과정에서 중요한 역할을 한다.

소와 염소 같은 반추동물의 결정적인 특징은 반추동이라고 불리는 위다. 그 루멘은 수십억 마리의 미생물을 포함하고 있는데, 그 중 많은 미생물이 시너지를 내고 있다. 이 시네트로피의 한 가지 좋은 예는 이종간 수소전달이다. 일부 혐기성 발효 미생물들은 루멘(및 기타 위장 작용)에서 유기 물질을 단사슬 지방산과 수소로 분해할 수 있다. 축적된 수소는 미생물들이 유기물을 지속적으로 분해하는 능력을 억제하지만, 시너지 수소 소모가 많은 미생물이 존재하면 노폐물을 대사시켜 지속적인 성장을 가능하게 한다. 또한2, 발효균은 양성자를 H 생산과 동시에 전자 수용기로 사용할 때 최대 에너지 산출량을 얻는다. 수소를 소비하는 유기체로는 메탄가스, 황산염 저감제, 아세토균 등이 있다. 두 개의 탄소 원자보다 긴 지방산, 한 개의 탄소 원자보다 긴 알코올, 그리고 메탄노제스에 직접적으로 사용될 수 없는 브랜치 체인 및 방향족 지방산 같은 일부 발효 제품들은 메탄노제시스에 직접적으로 사용될 수 없다.

아세토제네시스 공정에서, 낮은 H 부분압력은2 아세토제네이션 반응이 열역학적으로 유리하기 위해 필수적이기 때문에 메탄젠제 고고학과의 시너지 관계에 있는 양성자 감소세균에 의해 이들 제품은 아세테이트와 H로2 산화된다(ΔG < 0).[6]

예를 들어, 소화관 전체와 피부 위에 사는 박테리아 세포의 수는 인간의 세포와 같은 크기 순서에 있다.[7] 예를 들어 소화기와 면역체계가 기능하기 위해서는 이 미생물들이 필수적이다.[8]

또 다른 예는 배설물이나 똥을 먹고 사는 많은 유기체들이다. 소의 식단은 주로 풀로 이루어져 있는데, 그 중 셀룰로오스는 소의 대장에 있는 미생물에 의해 지질로 변형된다. 이러한 미생물은 장에 산소가 부족하여 지질을 사용할 수 없기 때문에 소가 생산한 지질을 모두 차지하지는 않는다. 가공된 풀들이 장을 똥으로 남겨두고 야외로 나오면 쇠똥구리와 같은 많은 유기체들이 그것을 먹고 산다.

그러나 또 다른 예는 잎사귀를 먹고 사는 토양에 있는 미생물의 집단이다. 잎은 일반적으로 1년 지속되며, 그 다음 새 잎으로 대체된다. 이러한 미생물은 버려진 잎을 광물화하고 식물이 차지해 가는 영양분을 방출한다. 그러한 관계를 상호 싱트로피라고 부르는 것은 그 식물이 미생물의 산물을 먹고 살기 때문이다. 많은 공생관계는 싱트로피에 기반을 두고 있다.

오염물질의 생물분해

유분, 방향성 화합물, 아미노산 등 유기오염물질의 분해에 시너티브 미생물 먹이사슬이 필수적 역할을 할 수 있다.[9][10][11]

석유를 이용한 환경오염은 생태학적 중요성이 높지만 신농축성 저하를 통해 매개할 수 있다.[9] 알칸은 원유의 주요 화학성분인 탄화수소 사슬로, 신농축성 미생물 먹이 그물에 의해 실험적으로 분해되었다.[9] 기름의 탄화수소는 다른 미생물에 의해 재생되는 화학 화합물인 후마레이트(fumarate)에 의해 활성화 후 분해된다.[9] 재생이 없다면, 기름을 분해하는 미생물들은 결국 후마레이트가 고갈되어 그 과정은 중단될 것이다. 이 붕괴는 생물치료와 지구 탄소 순환 과정에서 중요하다.[9]

시뉴트로시브 미생물 집단은 흔한 오염물질인 방향성 화합물 분해의 핵심 주체다.[10] 방향제 벤조이트가 메탄으로 분해되면 포메이트, 아세테이트, CO2, H와2 같은 많은 중간 화합물이 생성된다.[10] 이 제품들의 증가는 벤조이트의 분해에 대한 호감을 점차적으로 떨어뜨린다. 이 중간체들은 메탄노균에 의해 흡수되고 시네트로 대사되어 전 과정을 열역학적으로 유리하게 만들 수 있다.[10]

아미노산의 박테리아 퇴화가 싱트로피(syntrophy) 과정을 통해 현저하게 강화될 수 있다는 연구결과가 나왔다.[11] 아미노산 기질인 알라닌, 아스파테이트, 세린, 류신, 발레린, 글리신에서 잘 자라지 않는 미생물들은 신영양성 H2 스캐빈저에 의해 그들의 성장률을 극적으로 증가시킬 수 있다. 메타노스피릴룸이나 아세토박테리움 같은 이러한 스캐빈저들은 아미노산 분해 중에 생성되는 H 폐기물을2 대사하여 독성 축적을 방지한다.[11] 아미노산 분해를 개선하는 또 다른 방법은 형태에 의해 매개된 종간 전자전자를 통한 것이다. 데설포비브리오와 같은 종들은 이 방법을 사용한다.[11]

대사 메커니즘

두 박테리아 유기체 사이의 신체성 관계의 주요 원인은 환경에 코즈볼트나 영양소가 첨가되어도 각 참가자의 대사 활동이 표준 조건에서 반응의 열역학적 압력을 독자적으로 극복하지 못하는 관계로 일반화된다. 따라서 중간 풀 크기를 줄이기 위해서는 다른 참가자의 협조가 필요하다.[12]

메타노바실러스 오멜리안스키 문화는 시너지 상호작용에 의해 어떻게 두 개의 분리된 불리한 반응이 수행될 수 있는지를 보여주는 전형적인 예다.[13] 유기체 S와 유기체 M.O.메탄노바실러스 오멜리안스키의 H는 종간 수소전달이라 불리는 과정에 의해 에탄올을 아세테이트와 메탄으로 산화시킨다. 유기체 S의 개인은 전자 공여자로 에탄올을 사용하는 혐기성 박테리아를 의무적으로 사용하는 반면, M.o.H(Methanobacterium bryantiii)는 M.o를 변형시키는 것으로 관찰된다.H)는 메탄을 생산하기 위해 수소 가스를 산화시키는 메탄가스다.[1][14] 이러한 두 가지 대사 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

유기체 S: 2 CHCHO32 + 2 HO2 → 2 CHCOO3− + 2 H+ + 4 H2 (ΔG°' = +19 kJ)
변형률 M.o2.H. : 4 H + CO2 → CH4 + 2 HO2 (ΔG°' = -131 kJ)[12][15]

에탄올, 프로피온산, 부티레이트, 젖산염과 같은 복잡한 유기 화합물은 메탄노겐세균에 의한 메탄노겐세시스의 기질로 직접 사용될 수 없다. 한편 이러한 유기화합물의 발효는 메탄노균에 의해 수소농도를 낮은 수준으로 낮추지 않는 한 미생물을 발효시키는 과정에서 발생할 수 없다.[6] 이 경우 전자 운반 화합물(중재기)인 수소가 발효균에서 메탄노겐으로 옮겨지는데, 여기서 중재자는 열역학적으로 유리한 결합 리독스 반응에 의해 생성된 농도 구배를 따라 내려가게 된다.[16]

참조

  1. ^ a b Wang, Lawrence; Ivanov, Volodymyr; Tay, Joo-Hwa; Hung, Yung-Tse (5 April 2010). Environmental Biotechnology Volume 10. Springer Science & Business Media. p. 127. ISBN 978-1-58829-166-0. Retrieved 3 March 2015.
  2. ^ Dolfing, Jan (2014-01-01). "Syntrophy in microbial fuel cells". The ISME Journal. 8 (1): 4–5. doi:10.1038/ismej.2013.198. ISSN 1751-7362. PMC 3869025. PMID 24173460.
  3. ^ Prescott, Halley & Klein 6번째 판의 Microbiology
  4. ^ 헨더슨 생물사전, 제14판 엘리너 로렌스
  5. ^ Morris, Brandon E.L.; Henneberger, Ruth; Huber, Harald; Moissl-Eichinger, Christine (2013). "Microbial syntrophy: interaction for the common good". FEMS Microbiol Rev. 37 (3): 384–406. doi:10.1111/1574-6976.12019. PMID 23480449.
  6. ^ a b Stams, Alfons J. M.; De Bok, Frank A. M.; Plugge, Caroline M.; Van Eekert, Miriam H. A.; Dolfing, Jan; Schraa, Gosse (1 March 2006). "Exocellular electron transfer in anaerobic microbial communities". Environmental Microbiology. 8 (3): 371–382. doi:10.1111/j.1462-2920.2006.00989.x. PMID 16478444.
  7. ^ Sender, Ron; Fuchs, Shai; Milo, Ron (2016-01-06). "Revised estimates for the number of human and bacteria cells in the body". dx.doi.org. Retrieved 2021-11-10.
  8. ^ 미생물과 인체 미생물학회 온라인
  9. ^ a b c d e Callaghan, A. V.; Morris, B. E. L.; Pereira, I. a. C.; McInerney, M. J.; Austin, R. N.; Groves, J. T.; Kukor, J. J.; Suflita, J. M.; Young, L. Y. (2012-01-01). "The genome sequence of Desulfatibacillum alkenivorans AK-01: a blueprint for anaerobic alkane oxidation". Environmental Microbiology. 14 (1): 101–113. doi:10.1111/j.1462-2920.2011.02516.x. ISSN 1462-2920. PMID 21651686.
  10. ^ a b c d Ferry, J. G.; Wolfe, R. S. (February 1976). "Anaerobic degradation of benzoate to methane by a microbial consortium". Archives of Microbiology. 107 (1): 33–40. doi:10.1007/bf00427864. ISSN 0302-8933. PMID 1252087. S2CID 31426072.
  11. ^ a b c d Zindel, U.; Freudenberg, W.; Rieth, M.; Andreesen, J. R.; Schnell, J.; Widdel, F. (1988-07-01). "Eubacterium acidaminophilum sp. nov., a versatile amino acid-degrading anaerobe producing or utilizing H2 or formate". Archives of Microbiology. 150 (3): 254–266. doi:10.1007/BF00407789. ISSN 0302-8933. S2CID 34824309.
  12. ^ a b Schink, B. (1997-06-01). "Energetics of syntrophic cooperation in methanogenic degradation". Microbiology and Molecular Biology Reviews. 61 (2): 262–280. doi:10.1128/.61.2.262-280.1997. ISSN 1092-2172. PMC 232610. PMID 9184013.
  13. ^ Morris, Brandon E.L.; Henneberger, Ruth; Huber, Harald; Moissl-Eichinger, Christine (2013). "Microbial syntrophy: interaction for the common good". FEMS Microbiol Rev. 37 (3): 384–406. doi:10.1111/1574-6976.12019. PMID 23480449.
  14. ^ McInerney, Michael J.; Struchtemeyer, Christopher G.; Sieber, Jessica; Mouttaki, Housna; Stams, Alfons J. M.; Schink, Bernhard; Rohlin, Lars; Gunsalus, Robert P. (1 March 2008). "Physiology, Ecology, Phylogeny, and Genomics of Microorganisms Capable of Syntrophic Metabolism". Annals of the New York Academy of Sciences. 1125 (1): 58–72. doi:10.1196/annals.1419.005. PMID 18378587. S2CID 17250234.
  15. ^ Drake, Harold L.; Horn, Marcus A.; Wüst, Pia K. (1 October 2009). "Intermediary ecosystem metabolism as a main driver of methanogenesis in acidic wetland soil". Environmental Microbiology Reports. 1 (5): 307–318. doi:10.1111/j.1758-2229.2009.00050.x. PMID 23765883.
  16. ^ Storck, Tomas; Virdis, Bernardino; Batstone, Damien J. (2016). "Modelling extracellular limitations for mediated versus direct interspecies electron transfer". The ISME Journal. 10 (3): 621–631. doi:10.1038/ismej.2015.139. PMC 4817672. PMID 26545286.