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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-000326-2

Adaptation of bacteria to toxic solvents: mechanisms and application

  • The toluene-degrading and solvent-tolerant strain Pseudomonas putida DOT-T1E was investigated with respect to its suitability and economic efficiency as biocatalyst in aqueous-organic two-phase systems with aliphatic solvents as organic phase (Rojas et al. 2004, chapter 4 and 5) and to its adaptive responses to the solvent decanol. The adaptive changes on the level of cell morphology (chapter 2), membrane fatty acids and permeability (chapter 3), as well as energetics and surface properties (chapter 5) of P. putida DOT-T1E have been investigated in order to ascertain information about the strain's suitability for two-phase biotransformation systems (chapter 4). The morphological adaptation to the presence of solvents was observable in changes of the cell size of P. putida DOT-T1E. Those changes were dependent on the cellular activity and occurred only after addition of non-lethal solvent concentrations. The cells reacted to the presence of organic solvents by decreasing the ratio between surface and volume of the cells and therefore reducing their relative surfaces (chapter 2). The cell surface and especially the cytoplasmic membrane are the major targets for toxic effects of membrane-active compounds like solvents. The mechanism of the cis-trans isomerisation of unsaturated fatty acids counteracts the fluidizing effect of solvents by increase the ordering of the membrane and therefore its rigidity. By comparing the responses of the cells to a series of stress factors (like solvents), a direct correlation between the activation of this mechanism and the well investigated K+-uptake pumps was observed (chapter 3). Huertas et al. (1998) reported that this strain tolerated concentrations of heptane, propylbenzene, octanol, and toluene of at least 10 % (vol/vol). 1-decanol is, in comparison to toluene, less hazardous and volatile, and it possesses good extraction properties for the desired fine chemical products. In further investigations of possible biotechnological processes, it was discovered that decanol is also a more suitable solvent as organic phase (chapter 4). Although the cells of P. putida DOT-T1E needed additional energy for their adaptation to the presence of the solvent decanol, they were able to maintain or activate their electron transport phosphorylation allowing homeostasis of ATP level and energy charge in the presence of the solvent, at the price of a reduced growth yield. On the other hand, significantly enhanced cell hydrophobicities converging with more negative cell surface charges were observed in cells grown in the presence of 1-decanol (chapter 5). It is however important to note that all the cell’s properties observed are closely linked to each other since they are all part of the adaptive response of the cells. It can be concluded that the easy adaptability and good growth properties of Pseudomonas putida DOT-T1E in the presence of the organic solvent 1-decanol make this system an excellent candidate for two-phase fermentation processes. Moreover, the absence of differences in the energetics of the bacteria during exposure to 1-decanol as compared to bacteria that grew in the absence of 1-decanol, support that this organism can be used for the industrial production of fine chemicals in an economically sound manner.
  • Der Toluol-abbauende Stamm Pseudomonas putida DOT-T1E wurde hinsichtlich seiner Eignung und ökonomischen Effizienz als Biokatalysator in wäßrig-organischen Zwei-Phasen-Systemen untersucht, wobei aliphatische Lösungsmittel als organische Phase verwendet wurden (Rojas et al. 2004, Kapitel 4 und 5). Die adaptiven Antworten des Bakteriums auf das Lösungsmittel 1-Dekanol wurden dabei intensiv geprüft. Die adaptiven Veränderungen auf der Ebene der Zellmorphologie (Kapitel 2), der Membranfettsäuren und Membranpermeabilität (Kapitel 3) sowie der Zellenergetik und Oberflächen-Eigenschaften (Kapitel 5) von P. putida DOT-T1E wurden untersucht, um Informationen über die Eignung des Stammes für Zwei-Phasen-Biotransformationssysteme zu erhalten (Kapitel 4). Die morphologische Adaptation an die Anwesenheit von Lösungsmitteln war anhand von Veränderungen der Zellgröße zu beobachten. Diese Veränderungen waren abhängig von der zellulären Aktivität und traten nur nach Zugabe von nicht-letalen Lösungsmittelkonzentrationen auf. Die Zellen reagierten auf die Anwesenheit von organischen Lösungsmitteln mit einer Erniedrigung des Verhältnisses zwischen Oberfläche und Volumen, d.h. mit einer Verringerung ihrer relativen Oberflächen (Kapitel 2). Die Hauptwirkorte der toxischen Effekte von membranaktiven Verbindungen, wie beispielsweise Lösungsmitteln, sind die Zelloberfläche und insbesondere die Cytoplasmamembran. Der adaptive Mechanismus der cis-trans-Isomerisierung von ungesättigten Fettsäuren wirkt der fluidisierenden Wirkung von Lösungsmitteln entgegen, indem er die Ordnung der Membran und damit ihre Viskosität erhöht. Beim Vergleich der adaptiven Antworten von P. putida auf eine Reihe von Streßfaktoren (z.B. Lösungsmittel) konnte eine direkte Korrelation zwischen der Aktivierung des cis-trans-Mechanismus und der Aktivierung der Kalium-Aufnahme-Pumpen in der Membran festgestellt werden (Kapitel 3). Huertas et al. (1998) zeigten für Heptan, Propylbenzol, Oktanol und Toluol, daß der Stamm Pseudomonas putida DOT-T1E Lösungsmittelkonzentrationen von mindestens 10 % (vol/vol) toleriert. 1-Dekanol ist im Vergleich zu Toluol weniger gefährlich und flüchtig und es besitzt gute Extraktionseigenschaften für die zu produzierenden Feinchemikalien. In weiteren Untersuchungen von biotechnologischen Prozessen wurde bewiesen, daß Dekanol außerdem auch ein gut geeignetes Lösungsmittel für Zwei-Phasen-Biotransformationen ist (Kapitel 4). Obwohl die Zellen von P. putida DOT-T1E zusätzliche Energie für ihre Anpassung an das Lösungsmittel Dekanol aufbringen mußten, waren sie in der Lage, ihre Elektronentransportphosphorylierung aufrecht zu erhalten. Das erlaubte eine Homöostasis von ATP-Level und Energieladung in Gegenwart des Lösungsmittels – auf Kosten eines reduzierten Biomasse-Ertrags. Allerdings waren in Gegenwart von Dekanol gleichzeitig eine signifikant höhere Hydrophobizität der Zellen und eine negativere Zelloberflächenladungen in wachsenden Zellen zu beobachten (Kapitel 5). Es ist anzumerken, daß sämtliche beobachteten Zelleigenschaften eng miteinander verknüpft sind, da sie alle Teil der adaptiven Reaktion der Zelle sind. Aufgrund der guten Wachstumseigenschaften in Anwesenheit von organischen Lösungsmitteln und der problemlosen Anpassung an 1-Dekanol, ist Pseudomonas putida DOT-T1E in diesem System ein exzellenter Kandidat für Zwei-Phasen-Fermentationsprozesse. Das Fehlen von Unterschieden auf der energetischen Ebene der Zellen – in Ab- oder Anwesenheit von Dekanol – unterstützt die Tatsache, daß Pseudomonas putida DOT-T1E für eine industrielle und ökonomisch relevante Produktion von Feinchemikalien einsetzbar ist.

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Metadaten
Author: Grit Neumann
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000326-2
Title Additional (German):Adaptation von Bakterien an toxische Lösungsmittel: Mechanismen und Anwendung
Advisor:Prof. Dr. rer. nat. Frieder Schauer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2007/01/04
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2006/11/24
Release Date:2007/01/04
Tag:Dekanol, Kontaktwinkel, Lösungsmittel, Pseudomonas putida DOT-T1E
Pseudomonas putida DOT-T1E, contact angle, decanol, solvents, zeta potential
GND Keyword:Aerobe Bakterien, Anpassung, Isomerisierungsreaktion, Organisches Lösungsmittel, Phenol, Pseudomonas putida
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Abteilung für Mikrobiologie und Molekularbiologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie