Clostridium ljungdahlii

Clostridium ljungdahlii
Systematik
Abteilung: Firmicutes
Klasse: Clostridia
Ordnung: Clostridiales
Familie: Clostridiaceae
Gattung: Clostridium
Art: Clostridium ljungdahlii
Wissenschaftlicher Name
Clostridium ljungdahlii
Tanner et al. 1993

Clostridium ljungdahlii ist ein Bakterium aus der Gattung der Clostridien. Es lebt in sauerstofffreien Substraten und wurde 1988 erstmalig aus dem Abfall eines Hühnerzuchtbetriebs isoliert. Unter ungünstigen Lebensbedingungen bildet es nach wenigen Stunden Endosporen, die mehrere Jahre als Überdauerungsstadien überleben und unter anaeroben Bedingungen wieder zu vegetativen Bakterien werden.

Sämtliche Informationen über das Bakterium entstammen der Untersuchung von Laborkulturen, Beobachtungen aus den Ursprungssubstraten liegen nicht vor. Aufgrund seiner Fähigkeit, fermentativ Ethanol und Essigsäure auf der Basis von Synthesegas herzustellen (Synthesegas-Fermentation), hat es eine besondere Bedeutung für die Industrielle Biotechnologie. Im Jahr 2010 wurde zum besseren Verständnis des Stoffwechsels und zur Optimierung des Bakteriums als Produktionsorganismus das Genom von Clostridium ljungdahlii sequenziert und publiziert.[1]

Merkmale

Innerhalb der Bakterien und insbesondere auch innerhalb der Clostridien werden die Arten vor allem aufgrund ihrer Stoffwechseleigenschaften und molekularbiologischer Merkmale unterschieden, während morphologische Merkmale nur begrenzt für die Identifikation einzelner Arten nutzbar sind.

Morphologie

Clostridium ljungdahlii ist ein stäbchenförmiges, gram-positives Bakterium. Der Durchmesser der Bakterienzelle beträgt 0,6 μm bei einer Länge von 2 bis 3 μm. Die Zelloberfläche ist von einer 0,1 bis 0,2 μm dicken, calciumhaltigen Zellumhüllung umgeben. Wie andere Clostridien kann sich auch dieses mit den auf der gesamten Bakterienoberfläche gleichmäßig angeordneten Geißeln (peritrich) aktiv bewegen und bildet keine Zellkolonien. An den beiden Zellpolen (terminal und subterminal) kann das Bakterium Sporen bilden, was allerdings vergleichsweise selten geschieht.[2][3]

Stoffwechsel

Clostridium ljungdahlii ist ein Bakterium, das unter anoxischen (anaeroben) Bedingungen lebt, also in einer Umgebung ohne Sauerstoff. Das pH-Optimum für das Wachstum des Bakteriums liegt im leicht sauren Bereich von 6,0 mit einer Toleranz zwischen 4,0 und 7,0, in der Wachstum erfolgt. Die Optimaltemperatur beträgt etwa 37 °C mit einer Toleranz von 30 bis 40 °C. Unter diesen Optimalbedingungen hat der Stamm ATCC 49587T eine Teilungsrate von 0,26 Teilungen pro Stunde auf einem Fructosemedium oder einem Medium mit Wasserstoff und Kohlendioxid.[2]

Clostridium ljungdahlii ist ein homoacetogenes Bakterium und in der Lage, auf unterschiedlichen kohlenstoffhaltigen Substraten zu wachsen. Diese umfassen Ethanol, Pyruvat, Arabinose, Xylose, Fructose und Glucose sowie Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxid gemeinsam mit Wasserstoff (gasförmig in Flüssigmedium). Methanol, Ferulasäure, Milchsäure, Galactose, Mannose, Saccharose und Stärke führen dagegen nicht zu einer Wachstumsförderung.[2]

Die autotrophe Fixierung von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid in Gegenwart von Wasserstoff und ihre Umsetzung zu Ethanol und Essigsäure über Acetyl-CoA erfolgt über den Reduktiven Acetyl-CoA-Weg. Dieser ist nach seinen Hauptentdeckern Harland G. Wood und Lars G. Ljungdahl auch als „Wood-Ljungdahl-Weg“ bekannt.[4][5] Neben Kohlenstoff ist dabei die Gabe von Vitaminen sowie von Proteinen (z. B. als Hefeextrakt) als Stickstoffquelle notwendig.[2] Die Bakterien produzieren während ihrer Wachstumsphase vor allem Essigsäure, während Ethanol vor allem während der stationären Phase gebildet wird. Daneben ist das Hauptpodukt abhängig vom pH-Wert des Substrats: Während die Bakterien bei höheren pH-Werten zwischen 5 und 7 vor allem Essigsäure bilden, produzieren sie bei niedrigeren pH-Werten zwischen 4 und 4,5 vor allem Ethanol.[6][3]

Die biochemische Umsetzung von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid erfolgt dabei entsprechend der folgenden Reaktionsgleichungen:[7]

Für Ethanol:

Für Essigsäure:

Bei einem Wasserstoff/Kohlendioxid-Gemisch werden durch C. ljungdahlii 4 mmol Wasserstoff und 2 mmol Kohlendioxid in 1 mmol Essigsäure umgesetzt, während bei einem Fructose-Medium eine Umsetzung von 1 mmol Fructose in durchschnittlich 2,44 mmol Essigsäure erfolgt. Die Umsetzung ähnelt derjenigen von anderen acetogenen Bakterien: Acetobacterium carbinolicum setzt ein Molekül Fructose in 2,1 bis 2,3 Moleküle Essigsäure um, Acetobacterium woodi in 2,2 bis 2,8; bei Clostridium thermoaceticum erfolgt eine Umsetzung von einem Molekül Glucose in durchschnittlich 2,55 und bei Clostridium thermoautortrophicum in 2,5 Moleküle Essigsäure.[2] Kulturen zur Herstellung von Ethanol aus Synthesegas produzieren in der Regel bis etwa 2 mmol Ethanol aus 1 mmol Fructose.[2] Über den pH-Wert lässt sich allerdings das Wachstum der Bakterien und die Produktionsrate für Ethanol steuern - so konnte nachgewiesen werden, dass bei einem pH von 7,8 im Vergleich zu pH 5,5 die Zelldichte um etwa das 1,5-fache erhöht ist und sich zugleich die im Medium enthaltene Ethanolmenge um etwa 110 % erhöht.[8]

Genetik

Das Genom des Bakteriums wurde 2010 als zweites Genom eines acetogenen Bakteriums nach Moorelia thermoacetica vollständig sequenziert. Es weist 4.630.065 bp auf und gehört damit zu den größten der bislang bekannten Genome innerhalb der Clostridien. 25,2 % der 4.184 identifizierten Gene besitzen keine bekannte Funktion und 77,4 % der codierenden Sequenzen liegen auf dem Lesestrang („leading strand“). Zu den identifizierten Genen gehören die Gene für die Biosynthese der Flagellen, die in zwei Clustern angelegt sind, sowie ein benachbarter Gencluster für die Chemotaxis der Bakterien. Des weiteren wurde das Gen spo0A nachgewiesen, welches das gleichnamige, für die Sporenbildung notwendige, Regulationsprotein Spo0A codiert. Zudem konnten die Gene der für die Sporulation typischen Sigma-Faktoren nachgewiesen werden, während die Gene spo0F und spo0B wie bei allen bislang sequenzierten Clostridien fehlen.[1]

Die Arbeit von Köpke et al. 2010 konzentrierte sich vor allem auf die codierenden Sequenzen, die für die Stoffwechseleigenschaften des Bakteriums interessant sind. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass Clostridium ljungdahlii über ein spezifisches Rnf-System verfügt. Es weist damit einen gegenüber anderen bekannten acetogenen Bakterien modifizierten Stoffwechsel auf, der für die Energiebereitstellung weder ein Cytochrom-System noch Natriumionen benötigt.[1]

Ökologie

Über die Ökologie von C. ljungdahlii liegen nur sehr wenige Daten vor, da das Bakterium nach seiner Isolierung ausschließlich unter Laborbedingungen untersucht wurde. Es lebt obligat anaerob, benötigt also zur Bildung von Fortpflanzungszellen ein sauerstofffreies Substrat. Unter aeroben Bedingungen bildet es nach wenigen Stunden Endosporen, die mehrere Jahre als Überdauerungsstadien auch in sauerstoffreichen Substraten überleben und unter anaeroben Bedingungen wieder zu vegetativen Bakterien werden.

Der Stamm ATCC 49587T, der zur Erstbeschreibung genutzt wurde, wurde im Abfall eines Hühnerzuchtbetriebs isoliert.[2]

Systematik

Die wissenschaftliche Erstbeschreibung von Clostridium ljungdahlii erfolgte 1993 durch die Arbeitsgruppe um Ralph S. Tanner von der University of Oklahoma.[2] Namensgebend ist Lars G. Ljungdahl, der zentrale Arbeiten zur Aufklärung des Stoffwechsels acetogener Bakterien sowie der Clostridien im Allgemeinen veröffentlicht hat und gemeinsam mit Harland G. Woods Namensgeber des Woods-Ljungdahl-Stoffwechselweges ist.

Clostridium ljungdahlii wird taxonomisch der mit über 160 beschriebenen Arten sehr artenreichen Gattung der Clostridien zugeordnet. Dabei stellt die Gruppe der Clostridien eine sehr diverse Gruppe dar, deren phylogenetische Klassifizierung und eventuelle Aufspaltung in mehrere Gattungen in stetiger Diskussion ist.[9][10] Die Unterscheidung der Arten innerhalb der Gattung beruht vor allem auf der molekularbiologischen Analyse der 23S rRNA, nach der die Gattung in 12 Homologie-Gruppen aufgeteilt wird. Clostridium ljungdahlii stellt dabei das erste bekannte acetogene Bakterium in der Homologie-Gruppe I dar.[2] Es besteht eine enge Verwandtschaft mit Clostridium tyrobutyricum, einem Essig- und Buttersäure produzierendem Bakterium, und Clostridium pasteurianum, die durch einen Vergleich der Sequenz 16S rRNA nachgewiesen wurde.[2] Das ebenfalls als eigene Art beschriebene Bakterieum C. autoethanogenum ist wahrscheinlich ein Synonym von C. ljungdahlii, da es von diesem nicht unterscheidbar ist.[10]

Technische Bedeutung und Forschungsgeschichte

Das Bakterium wurde von Suhakar Barik von der University of Arkansas aufgrund seiner physiologischen Eigenschaften isoliert. Er suchte gezielt nach Bakterien, die in der Lage sind, Synthesegas aus der Kohlevergasung für die Produktion potenziell interessanter Produkte zu nutzen.[2] Gemeinsam mit J. L. Gaddy, ebenfalls an der University of Arkansas, und weiteren Forschern konnte Barik bereits 1988 die Ethanolproduktion durch die von ihm isolierte und der Gattung Clostridium zugeordnete Bakterienkultur nachweisen.[11] Tanner und D. Yang stellten die neue Art anhand Bariks Kultur als Clostridium ljungdahlii PETCT (T steht für Typus) in einer Präsentation und einem Abstract 1990 auf der 90. Jahrestagung der American Society for Microbiology in Washington D.C. erstmalig wissenschaftlich vor.[12] Die offizielle Erstbeschreibung erfolgte durch Tanner et al. erst 1993 als Clostridium ljungdahlii Stamm ATCC 49587T. Unter dieser Bezeichnung wurde die Kultur in die American Type Culture Collection aufgenommen.[2] Bereits 1992 patentierte Gaddy die technische Ethanol- und Essigsäureproduktion mit der Bakterienkultur.[3] In den Folgejahren wurden mit den Stämmen DSM 13528 und PETC weitere Stämme isoliert und kultiviert.[13] 2010 wurde das Genom des Stamms DSM 13528 sequenziert.[1]

Insbesondere aufgrund der potenziellen Nutzung von Wasserstoff/Kohlenmonoxid (Synthesegas-Fermentation) und Wasserstoff/Kohlendioxid als Wachstumssubstrat besteht ein sehr großes wirtschaftliches Interesse an dem Bakterium für die Nutzung im Bereich der Industriellen Biotechnologie. Es soll zur Herstellung von Ethanol, Butanol und Essigsäure genutzt werden,[1] wobei eine Nutzung zur Butanolherstellung erst durch eine Genübertragung der für die Butanolherstellung wichtigen Gene von Clostridium acetobutylicum mit Hilfe einer Elektroporation ermöglicht wurde.[14][15] Es handelt sich hierbei um die Gene bcd für eine Butyryl-CoA-Dehydrogenase, hbd für eine 3-Hydroxybutyryl-CoA-Dehydrogenase, thlA für eine Thiolase, bdha für eine Butanol-Dehydrogenase und adhE für eine Butyraldehyd-/Butanol-Dehydrogenase.[14][15] Nach dem Einbau des Plasmids in das Bakterium konnte bei dem neu entwickelten Stamm eine Butanolproduktion auf der Basis von Synthesegas festgestellt werden, die in weiteren Schritten optimiert werden soll.[15]

Im Gegensatz zu anderen acetogenen Bakterien wird C. ljungdahlii bereits technisch zur Ethanolproduktion im Pilot- und Demonstrationsmaßstab genutzt. Dabei handelt es sich bislang um Anlagen der Unternehmen INEOS Bio in Großbritannien, LanzaTech in Neuseeland und China sowie BriEnergy und Coskata in den Vereinigten Staaten.

Belege

  1. a b c d e Michael Köpke, Claudia Held, Sandra Hujer, Heiko Liesegang, Arnim Wiezer Antje Wollherr, Armin Ehrenreich, Wolfgang Liebl, Gerhard Gottschalk, Peter Dürre: Clostridium ljungdahlii represents a microbial production platform based on syngas. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States (PNAS) 107 (29), 20. Juli 2010. Volltext, PMID 20616070.
  2. a b c d e f g h i j k l R.S. Tanner, L.M. Miller, D. Yang: Clostridium ljungdahlii sp. nov., an acetogenic species in clostridial rRNA homology group I. International Journal of Systematic Bacteriology 43 (2), 1993: S. 232-236. (Volltext), PMID 7684239.
  3. a b c J.L. Gaddy, E.C. Clausen: Clostridium ljungdahlii, an anaerobic ethanol and acetate producing micoorganism. US Patent 5173429, 22. Dezember 1992. (Volltext)
  4. J.G. Jungdahl: The Autotrophic Pathway of Acetate Synthesis in Acetogenic Bacteria. Annual Review of Microbiology 40, S. 415-450. PMID 3096193.
  5. Harland G. Wood, Steve W. Ragsdale, Ewa Pezacka: The acetyl-CoA pathway of autotrophic growth. FEMS Microbiology Letters 39 (4). Abstract.
  6. Asma Ahmed, Allyson White, Peng Hu, Randy Lewis, Raymond Huhnke: Ethanol from Syngas – Microbial Conversion. SynGrant BioWeb, 2008.
  7. Pradeep Chaminda Munasinghe, Samir Kumar Khanal: Biomass-derived syngas fermentation into biofuels: Opportunities and challenges. Bioresource Technology 101 (2010), S. 5013-5022. PMID 20096574
  8. Jacqueline L. Cotter, Mari S. Chinn, Amy M. Grunden: Influence of process parameters on growth of Clostridium ljungdahlii and Clostidium autoethanogenum on synthesis gas. Enzyme and Microbial Technology 44 (2009), S. 281-288. (Abstract)
  9. M.D. Collins, P.A. Lawson, A. Willems, J.J. Cordoba, J. Fernandez-Garayzabal, P. Garcia, J. Cai, H. Hippie, J.A.E. Farrow: The Phylogeny of the Genus Clostridium: Proposal of Five New Genera and Eleven New Species Combinations. International Journal of Systematic Bacteriology, Oktober 1994; S. 812-826.
  10. a b E. Stackebrandt, I. Kramer, J. Swiderski, H. Hippie: Phylogenetic basis for a taxonomic dissection of the Genus Clostridium. FEMS Immonology and Medical Microbiology 24 (1999); S. 253-258.
  11. S. Barik, S. Prieto, S. B. Harrison, E. C. Clausen, J. L. Gaddy: Biological production of alcohols from coal through indirect liquefaction. Applied Biochemistry and Biotechnology 18 (1), 1988; S. 363-378 Abstract.
  12. R.S. Tanner, D. Yang: Clostridium ljungdahlii PETC sp. nov., a new, acetogenic, gram-positive anaerobic bacterium, abstr. R-21. Abstr. 90th Annual Meeting Am. Soc. Microbiol. 1990; S 249. American Society for Microbiology, Washington D.C., 1990.
  13. UniProt.: "Clostridium ljungdahlii", aufgerufen am 1. März 2011.
  14. a b Michael Köpke: Genetische Veränderung von Clostridium ljungdahlii zur Produktion von 1-Butanol aus Synthesegas. Dissertation der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Ulm, 2009. (Volltext)
  15. a b c Michael Köpke, Sandra Hujer, Peter Dürre: Klimaschutz durch innovative Biotechnologie. Laborwelt 6/2009.

Literatur

  • Michael Köpke, Claudia Held, Sandra Hujer, Heiko Liesegang, Arnim Wiezer Antje Wollherr, Armin Ehrenreich, Wolfgang Liebl, Gerhard Gottschalk, Peter Dürre: Clostridium ljungdahlii represents a microbial production platform based on syngas. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States (PNAS) 107 (29), 20. Juli 2010. Volltext, PMID 20616070.
  • R.S. Tanner, L.M. Miller, D. Yang: Clostridium ljungdahlii sp. nov., an acetogenic species in clostridial rRNA homology group I. International Journal of Systematic Bacteriology 43 (2), 1993: S. 232-236. (Volltext), PMID 7684239.
  • J.L. Gaddy, E.C. Clausen: Clostridium ljungdahlii, an anaerobic ethanol and acetate producing micoorganism. US Patent 5173429, 22. Dezember 1992. (Volltext)

Weblinks

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