Thermomyces lanuginosus
| Thermomyces lanuginosus | |
|---|---|
| Klasyfikacja naukowa | |
| Królestwo: | |
| Dział: | |
| Klasa: | |
| Zamówienie: | |
| Rodzaj: |
termomyces
|
| Gatunek: |
T. lanuginosus
|
| Nazwa dwumianowa | |
|
Thermomyces lanuginosus Cikliński (1899)
|
|
| Synonimy | |
|
|
Thermomyces lanuginosus to gatunek ciepłolubnego grzyba , który należy do Thermomyces, rodzaju degradatorów hemicelulozy . Jest klasyfikowany jako deuteromycete i nigdy nie zaobserwowano żadnej formy płciowej. Jest dominującym grzybem na hałdach kompostowych, ze względu na swoją zdolność do wytrzymywania wysokich temperatur i wykorzystywania złożonych źródeł węgla do produkcji energii. Wraz ze wzrostem temperatury hałd kompostowych i spadkiem dostępności prostych źródeł węgla, jest w stanie prześcignąć pionierską mikroflorę. Odgrywa ważną rolę w rozkładaniu hemiceluloz znajdujących się w biomasie roślinnej ze względu na wiele wytwarzanych przez nią enzymów hydrolitycznych, takich jak lipolaza, amylaza , ksylanaza , fitaza i chitynaza . Enzymy te mają zastosowania chemiczne, środowiskowe i przemysłowe ze względu na ich właściwości hydrolityczne. Stosowane są między innymi w przemyśle spożywczym, naftowym, celulozowo-papierniczym i paszowym. Zgłoszono kilka rzadkich przypadków zapalenia wsierdzia wywołanego przez T. lanuginosus u ludzi.
Historia
Grzyb został po raz pierwszy opisany w 1899 roku przez Tsiklinskaya, po przypadkowym odkryciu jego wzrostu na ziemniaku zaszczepionym ziemią ogrodową. Został później wyizolowany w 1907 roku z liści na ciepłych stosach kompostu przez Hugo Miehe. Miehe był pierwszą osobą, która pracowała z mikroorganizmami termofilnymi w swoich badaniach nad samozapłonem wilgotnych stogów siana. T. lanuginosis był jednym z czterech gatunków ciepłolubnych grzybów wyizolowanych z samonagrzewającego się siana przez Miehe, wraz z Mucor pusillus , Thermoidium sulfureum i Thermoascus aurantiacus.
Grzyb został również wyizolowany przez wielu różnych badaczy. Griffon i Maublanc wyizolowali go z grzyba na wilgotnym owsie w 1911 r., Ale umieścili go w rodzaju Sepedonium, podobnie jak Velich w 1914 r. Kurt Noack wyizolował kilka grzybów termofilnych z naturalnych siedlisk, w tym T. lanuginosis, dalej badając ich fizjologię. Cooney i Emerson przedstawili taksonomiczne opisy 13 znanych gatunków grzybów podczas II wojny światowej , badając alternatywne źródła kauczuku .
Taksonomia
Gatunek ten ma wiele synonimów, ze względu na różne nazwy i kategorie stosowane podczas jego pierwszego opisu. Tsiklinskaya pierwotnie wyizolowała i opisała gatunek, ale nie określiła wielkości aleuriospor i nie dołączyła rysunków. Fotografie grzybni i zarodników były niejednoznaczne, ponieważ nie dawały prawdziwego obrazu rozmiaru lub struktury z powodu błędu we wskazaniu powiększenia. Z powodu tej niepewności zarówno Griffon i Maublanc (1911), jak i Velich (1914) umieścili go w rodzaju Sepedonium , kiedy go wyizolowali i opisali. Został również umieszczony w Acremoniella według Rege (1927) i Curzi (1929).
Mason zaproponował nazwę Montospora lanuginosa , ale po tym nastąpiła tendencja do akceptowania rodzaju Humicola, jak zaproponował Bunce (1961 ) z powodu wątpliwego statusu Montosporra. To był Pugh i wsp. który ponownie wprowadził rodzaj Thermomyces. Chociaż literatura czasami odnosi się do tego gatunku pod wcześniejszą nazwą Humicola lanuginosa , obecnie jest on jednolicie określany obecną nazwą Thermomyces lanuginosa.
Genom
Grzyb ma wiele ważnych zastosowań przemysłowych, ponieważ wytwarza największe ilości enzymów hydrolizujących ze wszystkich termofilnych grzybów. Doprowadziło to do zainteresowania badaniem jego genetyki, a następnie do zsekwencjonowania jego genomu . Proteom T. lanuginosis zawiera 5100 genów , z 83 genami tRNA . Jedną z cech, które odkryto dzięki sekwencjonowaniu genomu, jest to, że grzyb ma ubikwitynę . szlak degradacji, który pomaga mu reagować na różne stresory środowiskowe, takie jak ograniczenie składników odżywczych, szok termiczny i ekspozycja na metale ciężkie, i może być niezbędny do adaptacji podczas rosnących temperatur. Jest również zdolny do acetylacji/deacetylacji histonów i zawiera dużą liczbę metylaz , które odgrywają ważną rolę w pakowaniu i kondensacji DNA .
Wzrost i morfologia
Thermomyces lanuginosus jest klasyfikowany jako termofilny i doświadcza szybkiego wzrostu w wysokich temperaturach. W laboratorium kolonie można hodować w płynnej pożywce z solą glukozową wzmocnionej peptonem . Kolonie są początkowo białe i aksamitne, na ogół mają mniej niż 1 mm wysokości, ale wkrótce stają się szare lub zielonkawoszare, zaczynając od środka. Dojrzałe kolonie są matowo ciemnobrązowe do czarnych, często z różowym lub winnym rozproszonym pigmentem wydzielanym z kolonii. Masy rozwijających się aleurioforów można zobaczyć na drobnych, bezbarwnych strzępkach młodych kolonii oglądanych pod mikroskopem. Te aleuriofory są krótkie, mierzą 10-15 μ długości i powstają pod kątem prostym do strzępek. Na ogół są nierozgałęzione, ale czasami rozgałęziają się raz lub dwa razy w pobliżu podstawy, pojawiając się jako skupisko. Mogą wystąpić przegrody, ale często są one trudne do zaobserwowania. Aleuriospory wyrastają pojedynczo na końcach aleurioforów.
Żaden teleomorf nie jest znany dla tego gatunku. Bezpłciowe konidy wyrastają pojedynczo na krótkich szypułkach i są jednokomórkowe, ciemnobrązowe, o szorstkiej powierzchni. Zarodniki są początkowo bezbarwne i gładkie, ale podczas dojrzewania stają się ciemnobrązowe, a gruby egzospor staje się pomarszczony. Dojrzałe zarodniki są kuliste, o nieregularnym kształcie i mają średnicę od 6 do 10 μm. Zarówno niedojrzałe, jak i dojrzałe zarodniki można łatwo oddzielić od aleuroforu, który zwykle pęka nieco poniżej punktu przyczepienia, więc można znaleźć wolne zarodniki z wciąż przyczepioną górną częścią.
Pleśnie ciepłolubne hodowane w wysokich temperaturach (powyżej 50°C) zawierają w strzępkach gęste pęcherzyki ciała, które pełnią funkcję organelli magazynujących, głównie fosfolipidów. U T. lanuginosus w temperaturze 52°C rośnie dziewięć razy więcej pęcherzyków magazynujących lipidy niż w temperaturze 37°C. Silna pigmentacja zarodników pozwala im wytrzymać temperaturę i stres cieplny, a pigmenty okazały się podobne do pigmentów hydroksylowanych u mszyc .
Fizjologia
Wpływ temperatury
Grzyby termofilne to jedyne organizmy eukariotyczne , które mogą rosnąć w temperaturze powyżej 45°C. Na ogół minimalna temperatura wymagana do wzrostu wynosi co najmniej 20°C, a maksymalna to 60°C lub 62°C. Optymalna temperatura wzrostu dla T. lanuginosus wynosi 45-50 °C. Podczas gdy maksymalna wydajność zarodników występuje w temperaturze 25 ° C, ich wzrost jest szybszy w temperaturze 50 ° C. Nie obserwuje się wzrostu w temperaturach poniżej 30°C i powyżej 60°C. Na wrażliwość enzymatyczną i aktywność transporterów u grzybów wpływała również temperatura.
Odżywianie
Grzyby ciepłolubne nie mogą rosnąć w warunkach beztlenowych i do wzrostu potrzebują tlenu. Chociaż dwutlenek węgla nie jest wymogiem żywieniowym dla grzybów, jego brak poważnie wpływa na wzrost T. lanuginosis . Jest to najprawdopodobniej spowodowane tym, że dwutlenek węgla jest potrzebny do asymilacji karboksylazy pirogronianowej , potrzebnej do rozwoju.
W hałdach kompostu, gdzie powszechnie występuje grzyb, dostępność rozpuszczalnego węgla zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, a głównymi źródłami węgla są zwykle polisacharydy, takie jak celuloza i hemiceluloza. T. lanuginosis nie jest w stanie wykorzystywać celulozy, ponieważ nie wytwarza celulazy , ale jest dobrze przystosowany do wykorzystywania innych złożonych źródeł węgla, takich jak hemiceluloza. Jest zdolny do wzrostu komensalnego przy użyciu cukrów uwalnianych, gdy celuloza jest hydrolizowana przez partnera celulolitycznego. Produkty hydrolizy celulozy i hemicelulozy - glukoza , ksyloza i mannoza , są transportowane przy użyciu tego samego symportu napędzanego protonami . Ten transport jest konstytutywny, specyficzny i pośredniczy w nim nośnik, a jego wrażliwość zależy od temperatury.
Thermomyces lanuginosis jednocześnie wykorzystuje glukozę i sacharozę w temperaturze 50 ° C, przy czym sacharoza jest zużywana szybciej niż glukoza. Oba cukry były również stosowane jednocześnie w temperaturze 30 ° C z prawie identycznymi szybkościami. Stosowanie sacharozy występuje w tym samym czasie co glukoza z dwóch głównych powodów: ponieważ inwertaza jest niewrażliwa na represję kataboliczną przez glukozę oraz ponieważ aktywność układu wychwytu glukozy jest tłumiona zarówno przez samą glukozę, jak i przez sacharozę. Dwa cukry wzajemnie wpływają na ich wykorzystanie w mieszaninie.
Enzymy
Istnieje wiele enzymów wydzielanych przez T. lanuginosis, a wiele z nich ma zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu.
Lipaza
Lipaza T. lanuginosis ma centrum katalityczne , które zawiera trzy aminokwasy (seryna-histydyna-kwas asparaginowy) i jest pokryte krótką alfa-helikalną pętlą lub „pokrywką”, która porusza się, aby umożliwić substratowi dostęp do miejsca aktywnego. Pojedyncza mutacja w serynie zmienia ruch powieki, co wpływa na powinowactwo wiązania enzymu. Lipaza zawiera również dwusiarczkowe , ale nie zawiera wolnej grupy -SH. Wydajność i termostabilność lipazy różni się w zależności od różnych szczepów, ale stwierdzono, że lipaza jest stabilna przy pH od 4 do 11 i optymalnie aktywna przy 8,0. Jeśli chodzi o temperaturę, pewną aktywność zaobserwowano w temperaturze 65 ° C, ale jest ona całkowicie inaktywowana w temperaturze 80 ° C.
Cienkie zawiesiny grzybni utworzone przez grzyba sprawiają, że jest on pożądany do stosowania w produkcji stabilnej lipazy do wytwarzania detergentów do prania w gorącej wodzie.
Amylasa
α-amylaza jest enzymem dimerycznym, który może hydrolizować skrobię , amylozę i amylopektynę , ale nie maltozę . α-amylaza T. lanuginosis jest najbardziej aktywna w lekko kwaśnych warunkach iw temperaturze 65°C. W 100 ° C jest inaktywowany przez samoasocjację podjednostek, przekształcając go w nieaktywne formy trimeryczne. Enzym jest w stanie wytrzymać śmiercionośne temperatury, a następnie powrócić do stanu natywnego z pełną aktywnością enzymatyczną, co pozwala grzybowi przetrwać wahania wysokich i niskich temperatur.
ksylanaza
Ksylan jest najobficiej występującym strukturalnym polisacharydem w przyrodzie innym niż celuloza i jest rozkładany przez wiele enzymów, w tym ksylanazę. Ksylanaza T. lanuginosus jest polipeptydem złożonym z 225 aminokwasów i jest wysoce homologiczna z innymi ksylanazami, ale różni się obecnością mostka dwusiarczkowego , którego nie ma większość mezofilnych ksylanaz, oraz zwiększoną gęstością naładowanych reszt w całym białku . To sprawia, że enzymy rozkładające skrobię T. lanuginosus najbardziej termostabilne enzymy wśród źródeł grzybów. Podczas gdy optymalna temperatura większości ksylanaz mieści się w zakresie od 55 do 65 ° C, ksylanazy niektórych szczepów T. lanuginosus są optymalnie aktywne w temperaturze 70 do 80 ° C. Ksylanaza jest stabilna nawet w przypadku denaturantów, takich jak mocznik , i ma zdolność do ponownego fałdowania po denaturacie.
Ksylanazy znalazły zastosowanie w przemyśle spożywczym, paszowym oraz celulozowo-papierniczym, ponieważ można je stosować do rozkładania ksylanu w przemysłowych reakcjach enzymatycznych.
Fitaza
Fitaza T. lanuginosus wykazuje optymalną aktywność w temperaturze 65°C i przy pH 6,0. Różnicowa kalorymetria skaningowa wykazała, że do jej rozwinięcia wymagana jest wysoka temperatura (69 ° C).
Kwas fitynowy jest podstawową formą przechowywania fosforanów w zbożach, roślinach strączkowych i nasionach oleistych. Są to główne składniki paszy dla zwierząt, ale zwierzęta monogastryczne i ludzie nie są w stanie całkowicie strawić fitynianu i nie odnoszą korzyści z fosforanów. Dodatkowa ilość fosforu musi być dodana do paszy w celu odfosforylowania kwasu fitynowego, ponieważ tworzy on nierozpuszczalne kompleksy z niektórymi jonami metali, czyniąc je niedostępnymi dla pożywienia. Istnieje zatem zainteresowanie zastosowaniem fitaz do rozkładania kwasu fitynowego i unikania tego dodatkowego etapu.
chitynaza
U T. lanuginosus zidentyfikowano cztery przypuszczalne geny kodujące chitynazę . Chitynazy to hydrolazy glikozylowe, które rozkładają wiązania β-1,4 chityny. Są aktywne w szerokim zakresie pH (3,0–11,0) i temperatury (30–60◦C).
Chitynazy są biologicznie użyteczne, ponieważ rozkładają biopolimer chityny . Chityna stanowi poważny problem środowiskowy w postaci odpadów chitynowych, które są produkowane w ilości do 100 miliardów ton metrycznych rocznie. Można je stosować do degradacji chityny w surowych skorupach krewetek bez wstępnej obróbki ostrymi chemikaliami, a także mają zastosowania w medycynie, ponieważ stwierdzono, że chitynaza ma właściwości przeciwgrzybicze .
glukoamylaza
Thermomyces lanuginosus również produkował glukoamylazę . Sugeruje przydatność w komercyjnej produkcji syropów glukozowych, ponieważ jest niewrażliwy na hamowanie produktu końcowego .
Trehalaza
Trehalaza jest monomeryczną glikoproteiną o 20% zawartości węglowodanów. Jest optymalnie aktywny w temperaturze 50°C. Jest wytwarzany konstytutywnie w T. lanuginosus , ale jest silnie związany ze ścianą strzępek.
inwertaza
Thermomyces lanuginosus ma bardzo niestabilną inwertazę, którą można stabilizować tiolami w laboratorium i inaktywować związkiem modyfikującym grupę tiolową, co sugeruje, że jest to białko tiolowe .
Adaptacje do przetrwania
Thermomyces lanuginosus ma szereg adaptacji do przetrwania, w tym adaptację do homeolepkości . Stężenie kwasu linolowego jest dwukrotnie wyższe w temperaturze 30°C niż w temperaturze 50°C, co oznacza, że może on dostosowywać kwasów tłuszczowych w swojej błonie w odpowiedzi na temperaturę, aby zmieniać płynność i utrzymywać optymalne działanie enzymów. Może również zyskać termotolerancję - konidia poddane szokowi termicznemu wykazują zwiększoną przeżywalność w wyższych temperaturach.
Siedlisko i ekologia
Grzyby termofilne to głównie grzyby kompostowe , chociaż stwierdzono również, że T. lanuginosus rozwija się na hałdach, starzejących się liściach traw, ściekach oraz glebach torfowych i bagiennych, a także jest dominującym gatunkiem grzybów termofilnych w gorących źródłach. Choć czasami występuje w glebie, nie jest to naturalne siedlisko T. lanuginosus , a stężenie zarodników grzybów ciepłolubnych na gram materiału jest około 10 6 wyższe w kompostach niż w glebie. Sugeruje się, że ich szeroka obecność w glebie wynika z rozprzestrzeniania się zarodników w innych miejscach i opadu z powietrza.
Thermomyces lanuginosus ma dwie najważniejsze cechy wymagane do bycia kolonizatorem kompostu - jest w stanie wytrzymać wysokie temperatury i wykorzystywać złożone źródła węgla do produkcji energii. Produkuje termostabilne hemicelulazy, które rozkładają hemicelulozę z biomasy roślinnej do cukrów prostych. Wraz ze wzrostem temperatury w systemach kompostowych zanika flora pionierska i zaczynają dominować grzyby ciepłolubne. Egzotermiczne reakcje mikroflory saprofitycznej i mezofilnej podnoszą temperaturę do 40°C, co powoduje kiełkowanie termofilnych zarodników i ostatecznie przerasta pionierów, podnosząc temperaturę jeszcze wyżej do 60°C. Pod koniec rozkładu grzyby ciepłolubne stanowią 50-70% biomasy kompostu. T. lanuginosus jest wtórnym grzybem cukrowym i może uczestniczyć w wzajemnych relacjach z niektórymi prawdziwymi rozkładającymi celulozę kompostów.
Zastosowania lipazy Thermomyces lanuginosus (TLL)
Thermomyces lanuginosus (TLL) ma wiele różnych zastosowań chemicznych, środowiskowych i przemysłowych, w których zaangażowane są procesy hydrolityczne . Jego regiospecyficzność pozwala przemysłowi oleochemicznemu wytwarzać produkty, takie jak ekwiwalenty masła kakaowego, substytuty tłuszczu ludzkiego mleka i inne lipidy o specyficznej strukturze. Może być stosowany do hydrolizy olejów i tłuszczów, alkoholizy lub transestryfikacji olejów i tłuszczów, estryfikacji kwasów tłuszczowych oraz kwasolizy i interestryfikacji olejów.
Pierwszą skomercjalizowaną lipazą stosowaną w detergentach była lipolaza, lipaza grzybowa pochodząca początkowo z T. lanuginosus. Lipazy wspomagają działanie detergentu poprzez usuwanie plam. Lipolazy znalazły również zastosowanie w cieczach jonowych – atrakcyjnych środowiskowo alternatywach dla typowych rozpuszczalników organicznych.
TLL ma wiele zastosowań w chemii organicznej, takich jak rozdzielanie mieszanin racemicznych i tworzenie płynów nadkrytycznych . Zastosowania środowiskowe na dużą skalę obejmują degradację polimerów, oczyszczanie ścieków z przemysłu mięsnego, wstępną obróbkę wełny oraz czujnik jakości tłuszczu w przetwórstwie na dużą skalę. Stwierdzono, że lipaza jest przydatna w produkcji leków i półproduktów leków, takich jak środki przeciwnowotworowe, ponieważ może pomóc w kinetycznym rozdzieleniu syntetycznie ważnych chiralnych cegiełki. Ma również zastosowanie w przemyśle naftowym, ponieważ może być wykorzystany do produkcji biodiesla .
Patologia
Zapalenie wsierdzia wywołane przez grzyby odnotowano u ludzi, ale jest to bardzo rzadkie. Pierwsze doniesienie o przez T. lanuginosus zostało sporządzone pośmiertnie ponad 25 lat temu u pacjenta po wcześniejszej operacji zastawek z powodu infekcyjnego zapalenia wsierdzia wywołanego przez Staphylococcus aureus , u którego choroba pozostawała bezobjawowa przez ponad 6 miesięcy. Inny przypadek opisano u z prawidłową odpornością , któremu wszczepiono protezę zastawki serca po bakteryjnym zapaleniu wsierdzia. T. lanuginosus zapalenie wsierdzia było najprawdopodobniej wynikiem zakażenia podczas tej operacji. W tym drugim przypadku choroba trwała 9 lat i była leczona agresywną operacją i worikonaozlem .
Czynniki ryzyka pleśniowego zapalenia wsierdzia obejmują istniejące wcześniej zmiany , wady zastawek serca , wcześniejsze operacje kardiochirurgiczne (takie jak operacje zastawek, pomostowanie aortalno-wieńcowe, wszczepienie stymulatora lub defibrylatora oraz operacja aorty), immunosupresja , w tym ciąża i wcześniactwo, nadużywanie leków dożylnych oraz mając linie dożylne. Objawy podczas prezentacji mogą obejmować gorączkę, dreszcze, niewydolność serca, objawy neurologiczne w tym osłabienie, splątanie i zaburzenia widzenia, objawy ze strony układu oddechowego, zmiany skórne, ból w klatce piersiowej, ból nóg, ból pleców i objawy ogólnoustrojowe, takie jak jadłowstręt , złe samopoczucie i utrata masy ciała. Grzybicze zapalenie wsierdzia jest śmiertelne bez leczenia. Charakteryzuje się wysoką chorobowością i śmiertelnością, a także możliwością nawrotu, dlatego pacjenci z rzadkim zapaleniem wsierdzia wywołanym pleśnią inną niż Aspergillus mogą wymagać dożywotniej supresyjnej terapii przeciwgrzybiczej .