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01.11.10 – Extremophile Mikroorganismen – interessante Biokatalysatoren?

VL Reihe – „Weiße Biotechnologie“ Beiträge der AG Maskow. 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?

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01.11.10 – Extremophile Mikroorganismen – interessante Biokatalysatoren?

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Presentation Transcript

  1. VL Reihe – „Weiße Biotechnologie“ Beiträge der AG Maskow 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

  2. Extremophile Mikroorganismen – interessante Biokatalysatoren? Stand: 01.11.2010

  3. Für Anfragen und Anregungen : PD Dr. Thomas Maskow Helmholtzzentrum für Umweltforschung - UFZ Department Umweltmikrobiologie Permoserstr. 15 E-mail: thomas.maskow@ufz.de Tel. 0341/235-1328 Fax: 0341/235-1351

  4. Inhalt: • Warum sind extremophile Mikroorganismen interessant ? • Quellen extremophiler Mikroorganismen • Pheno- und genotypische Besonderheiten • Technische Bedeutung extremophiler Mikroorganismen • Potential extremophiler Mikroorganismen und Ausblick

  5. We teach microbiology But we learn from microbes

  6. 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 und Phosphors, sowie 108 Spezies. • 1 Gramm Boden < 109 Bakterien mit 1 000 – 5 000 Spezies. • • Stammsammlungen beinhalten < 105Spezies • > 90% manchmal >99% der Spezies einer Umweltprobe sind noch nichtkultivierbar. • Versteckte Diversität von Pilzen + Protisten kaum untersucht. • E. colietwa 2000 metabolische Reaktionen Gewaltiges Synthesepotenzial  technische Anwendungen !!!

  7. Extremophile(überleben unter „lebensfeindlichen“ Bedingungen) Resistenzmechanismen Besondere Produkte Autosteriles Arbeiten • Extremozyme • Temperatur – vR • Halotolerant – C(Edukt, Produkt) • pH – Waschmittelzusätze • Protektormoleküle Sterilität – Kostenfaktor biotechnologischer Verfahren

  8. Quelle: www.mibi.uni-bonn.de/extremophile.jpg

  9. Quellen (Habitate) extremophiler Mikroorganismen

  10. Bauwerke Heiße Quellen Salzseen • Extremophile:: • Hyperthermophile (- 105°C) • Psychrophile (-7 – 15oC) • • Halophile (- Sättigung) • • Acidophile (- pH 0,5) • • Alkaliphile (- pH 11) • Baro- oder Piezophile (> 800 atm) Sodaseen/-wüsten Tiefsee Gletscher Tiefsee

  11. HYPERTHERMOPHILE (Quelle)Nutzen DNA polymerase DNA amplification by PCR Alkaline phosphatase Diagnostic Proteasen und Lipasen Milch produkte Lipasen, pullulanases and proteases Detergentien Proteasen Bäckerei und Brauerei, Aminosäure produktion aus Keratin Alkoholdehydrogenase Chemische Synthesen Xylanases Papierbleiche S-layer proteine und Lipide Molekulare Siebe Oil abbauende Mikroorganismen Surfactants für die Ölgewinnung Schwefeloxidierende Bakterien Bioleaching, Kohle & Abgas Entschwefelung Hyperthermophilic consortia Abfallbehandlung und Methan- produktion Nutzung von Extremophilen

  12. PSYCHROPHILE Nutzen Alkaline phosphatasen Molekularbiologie Proteasen, Lipasen Detergentien , Zellulasen und Amylasen Lipasen und Proteasen Käseherstellung und Milchverarbeitung Proteasen Reinigungslösung für Kontaktlinsen Ungesättigte Fettsäuren Nahrungsmittelergänzung, Diätzusätze b-galactosidasen Laktose Hydrolyse in Milchprodukten Ice nucleating proteins Künstlicher Schnee, Eiskrem Ice minus microorganisms Frostschutz für empfindliche Pflanzen Verschiedene Enzyme Bioremediation, Biosensoren (e.g. oxidases) Methanogene Methanproduktion

  13. ALKALIPHILE (Quelle) Nutzen Proteasen, Cellulasen, Xylanasen, Detergentien Lipasen and Pullulanasen Proteasen Gelatine Entfernung von Röntgenfilmen Elastasen, Keritinasen Enthaarung Cyclodextrine Lebensmittel, Transport und Schutz von Wirkstoffen, Enantiomerentrennung, Pharmazie Alkaliphile Halophile Ölgewinnung Verschiedene Mikroorganismen Antibiotika ACIDOPHILE (Quelle) Nutzen Schwefel oxidierende Metallgewinnung und Entschwefelung von Mikroorganismen Kohle Mikroorganismen Organische Säuren und Lösemittel

  14. 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

  15. Halo- und osmophile Mikroorganismen

  16. Salze • Zucker • Wassermangel • Halotolerant/-phil • Osmophil • Xerophil Wasseraktivität beeinflusst durch: Extrem durch niedrige Wasseraktivitäten 1 g gereinigtes Meersalz enthält 106 Mikroorganismen !!!

  17. Halotolerant oder Halophil ? Tolerieren höhere Salzgehalte, sind aber nicht darauf angewiesen

  18. Quelle von Halophilen Salzsee Südrussland, Luftbildaufnahme

  19. Sodaseen: Etoscha-Pfanne, Namibia

  20. Künstliche Habitate: Salzgewinnung aus Meerwasser Oren A (2002) Halophilic microorganisms and their environment. Klywer Academic Press

  21. Trockene Oberflächen

  22. Osmotisches Gegengewicht: K+ Kleine, organische Moleküle; Kompatibel zum Metabolismus (Compatible Solutes) „kostet“ wenig Energie; Na+/H+ Antiporter; 1:2 - 2:3 primäre Na+ Pumpen Vorteil: Standard-Enzyme Energetische Kosten der Synthese von Compatible Solutes Nachteil: Benötigt spezielle, salz-tolerante Enzyme • Vertreter aus allen 3 Domänen des Lebens • Archea • Bacteria • Eucarya Vertreter: aerobe extrem halophile Archea, Halobacteriales anaerobe extrem halophile Archea, Haloanaerobiales Resistenzmechanismen Salt – in Strategie Compatible-Solute Strategie

  23. Bisherige technische Anwendungen  Habitat • Quelle für Carotinoide (Bacterioruberine) als Nahrungsergänzungs- • mittel, -färbemittel Oren A (2002) Halophilic microorganisms and their environment. Klywer Academic Press • Produzenten während der Fermentation von Sojasoße und Thaifischsoße

  24. Halophile Enzyme Widerstehen hohen Ionenstärken Interessant für hohe ionische Edukt-/ Poduktkonzentrationen

  25. 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

  26. Vergleich der dihydrofolat Reductase • Halophil nicht-halophil

  27. Anwendungen • Viele mögliche Anwendungen von Halophilen werden untersucht: • Erdölextraktion • Gentechnischer Einbau halophiler Enzyme in Pflanzen um die Salztoleranz zu steigern. • Behandlung von Abwässern.

  28. Bacteriorhodopsin Physiologische Funktion: Licht grüner Spektralbereich 570 nm - protonenmotorische Kraft Arbeitsweise: Ändert Protonisierung/Farbe in 10 ms -> technische Anwendungen pumpt ein Proton pro Photon

  29. Licht -> elektrisches Signal -> Photozelle • Bewegungssensoren Prototypen entwickelt • künstliche Netzhaut Prototypen entwickelt • Während der Lichtspeicherung ändert BR die Farben • Lichtmodulatoren • Hochauflösende Displays Prototyp entwickelt • Genetische Techniken helfen: • Variation der Lebensdauer der Zustände • Anregungswellenlänge • Technisches Potential von BR folgt aus Licht ->Signal zu wandeln: • Ladungstrennung • Farbänderung • Technische Anwendungen: • Elektrostatische Energie -> photovoltaische Zelle Prototyp: 5-10 Jahre • Grundlage für 3D Speicher extrem kleiner Größe (1 Molekül reicht), hoher • Speicherkapazität pro Volumeneinheit

  30. Compatible Solutes – Protektormoleküle ! Primärosmotisches Gegengewichtaber auchgenerelle Schutzfunktion! Schützen: Enzyme, biologische Strukturen aber auch ganze Zellen gegen: • Hohe Ionenstärken • Trockenheiten • Hohe Temperaturen • Niedrige Temperaturen • Gefrieren • Denaturierende Lösemittel • UV-Strahlung

  31. Compatible Solutes – Protektormoleküle ! Ursachen der generellen Schutzfunktion? • Preferential exclusion theory: • Unterstützen die Wasserstruktur • CS verstärken hydrophobe Kräfte • CS wirken der Entfaltung von Proteinen entgegen Arakawa, T und Timascheff SN (1985) The stabilisation of proteins by osmolytes. Biophys. J. 47: 411-414 Suenobu K, Nagaoka M (1998) Ab into molecular orbital study on molecular and hydration structure of ectoine. J. Phys. Chem. A 102: 7505-7511

  32. C H O H C H O H 2 2 H O C H H O H C O H O C H 2 O O H H C O H O H H C O H C H O H O H O 2 C H O H 2 O H O H Compatible Solutes: Struktur -> Funktion ? Vom Aminosäuretyp: Glycinbetain Prolin Ectoin Vom Kohlenhydrattyp: Trehalose Sucrose Vom Polyoltyp: Glycerol Mannitol Anderer Typen: Dimethylsulfoniumpropionat

  33. Welche Compatible Solutes kommen woher?

  34. Bakterienmelken 3. Phase(Synthese) Auffüllen mit hochkonzentrierter Salzlösung, Synthese von CS 1. Phase (Wachstum und Synthese) Wachstum und Ectoinbildung in Gegenwart hoher Ionenstärken 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 • Vorzüge: • 3-4 Zyklen möglich • funktioniert mit Molekülen bis 10 kDa • erprobt von 1-3500 L Quelle: www.bitop.de CS - Compatible Solutes MSC - Mechanosensitive Kanäle

  35. Eigenschaften des CS Ectoin in der Kosmetik

  36. Beispiele für die Nutzung dieses neuesten Produktes am Markt • Ectoin ist Bestandteil der Salben der Marktführer • Shiseido • Kanebo • Sebamed • Marbert • Dadosens

  37. Leben im Weltall? Es gibt “nach heutiger Erkenntnis” 3 Anforderungen für Leben: Wasser Energie Kohlenstoff 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.

  38. 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.

  39. 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.

  40. Leben im Weltall? 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

  41. 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?

  42. Empfehlungen für weiteres Lesen Zur 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

  43. Fragen ?

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