mini|hochkant=1.5|Der bakterielle Cellulose (BC) produzierende Stamm K. sp. K2A8: (a) Hexagonales Mikromuster einer mit Biolithographie hergestellten BC-Oberfläche (b) REM-Bild der oberflächen-mikrostrukturierten BC (c) REM-Aufnahme des mikrostrukturierten BC-Fasernetzes (d) REM-Aufnahme von K2A8 in einem solchen BC-Fasernetz.
Komagataeibacter ist eine Gattung von Essigsäurebakterien aus der Familie Acetobacteraceae, einer Gruppe gramnegativer aerober Bakterien, die während der Gärung Essigsäure produzieren. Sie wurde 2011/2012 von Yuzo Yamada et al. erstbeschrieben. Die Typusart ist Komagataeibacter xylinus.
Beschreibung Viele Komagataeibacter-Stämme (beispielsweise von der Spezies K. xylinus) sind eine Besonderheit unter den Essigsäurebakterien, da sie in der Lage sind Cellulose zu produzieren. Diese bakterielle Cellulose (BC), manchmal auch als (bakterielle) Nanocellulose (BNC) bezeichnet, ist an der Bildung von Biofilmen beteiligt. Sie ist zwar chemisch identisch mit pflanzlicher Cellulose, hat aber eine andere physikalische Struktur und damit andere physikalische Eigenschaften. Sie ist ein widerstandsfähiges Material, das in der Medizin, der Geweberegeneration, bei Textilien, in der Elektronik und in der Biotechnologie im Allgemeinen eine Vielzahl von Verwendungszwecken und Anwendungen findet.
Kombucha mini|hochkant=0.8|SCOBY-Mischkultur (Kombuchamutter) mini|hochkant=0.8|Kombuchamutter Eine weitere Anwendung ist die Herstellung von Kombucha durch die Fermentierung von gezuckertem Tee mit einer symbiotischen Kultur aus Bakterien und Hefen (, SCOBY); diese Kombucha-Kulturen werden hier auch als mikrobielle Kombucha-Gemeinschaft (, KMC) bezeichnet. In ihnen sind unter den Bakterien Komagataeibacter-Arten vorherrschend und produzieren dort Cellulose. Die Masse aus mikrobiellen Kulturen und Cellulose wird analog zur Essigmutter beim Essig auch Kombuchamutter () genannt.
Etymologie Der Gattungsname Komagataeibacter ehrt den japanischen Mikrobiologen Kazuo Komagata (1928–2022), Professor an der Universität Tokio, für seine Beiträge zur Systematik der Bakterien, insbesondere von Essigsäurebakterien.
Artenliste mini|hochkant=2|Phylogenetischer Baum der Gattung KomagataeibacterKlade 1 (blau), Klade 2 (rot+grün), darin Klade 3 (grün) und Klade 4 (rot). Außengruppe: Acetobacter aceti (schwarz). Synonyme des Gattungsnamens Komagataeibacter et al. 2013 sind nach der (LPSN): „Komagatabacter“ et al. 2012 (Schreibvariante) Novacetimonas et al. 2022
mini|K. hansenii ATCC 23769. Hellfeld (oben), GFP (unten) Artenliste nach der LPSN – mit einigen Stämmen (wo nicht anders angegeben) nach der Taxonomie des (NCBI), Stand 22. Oktober 2023: Komagataeibacter cocois et al. 2018 Referenzstamm: WE7 alias CGMCC 1.15338 oder JCM 31140 Komagataeibacter diospyri et al. 2020 Referenzstamm: MSKU 9 alias TBRC:9844 oder NBRC:113802 weiterer Stamm: MSKU 15 Komagataeibacter europaeus ( et al. 1992) et al. 2013 Referenzstamm: DES 11 alias ATCC:51845, DSM:6160 oder BCCM/LMG:18890 weitere Stämme: JNP1, LMG 18494, LMG 18890, 5P3 und NBRC 3261 Komagataeibacter hansenii ( et al. 1983) et al. 2013 Referenzstamm: M438 alias ATCC:35959, CCUG:18123, CIP:103110, DSM:5602, IFO:14820, JCM:7643, BCCM/LMG:1527, NBRC:14820, NCIMB:8746 oder CGMCC:3917 weitere Stämme: ATCC 53582, ATCC 23769 alias LMG 1524 oder NCIB 8246 oder NBRC 14816, JR-02, JCM 7643, NRIC 0243 und evtl. RG3 Komagataeibacter intermedius ( et al. 1998) et al. 2013 Referenzstamm: TF2 alias CIP:105780, DSM:11804, JCM:16936 oder BCCM/LMG:18909 weitere Stämme: ENS15, AF2, NRIC 0521 Komagataeibacter kakiaceti ( et al. 2012) Yamada 2014 Referenzstamm: JCM:25156 alias G5-1, BCCM/LMG:26206 oder NRIC:0798 weiterer Stamm: NBRC 3288 Komagataeibacter kombuchae ( et al. 2013Der Name Komagataeibacter kombuchae (mit Referenzstamm RG3) wird nach der LPSN von vielen Autoren – wie auch in der NCBI-Taxonomie – als ein Synonym von K. hansenii gesehen (und RG3 als einer er Stämme dieser Art), nicht jedoch in der LPSN selbst. Referenzstamm: RG3 alias LMG 23726 oder MTCC 6913 Komagataeibacter maltaceti ( et al. 2013) Yamada 2014 Referenzstamm: LMG 1529 alias NBRC 14815 oder NCIMB 8752 Komagataeibacter medellinensis ( et al. 2013) Yamada 2014 Referenzstamm: Kondo 51 alias BCCM/LMG:1693 oder NBRC:3288 weiterer Stamm: NBRC3288 Komagataeibacter melaceti et al. 2020 Referenzstamm: AV382 alias ZIM:B1054, CCM:8958 oder BCCM/LMG:31303 Komagataeibacter melomenusus et al. 2020 Referenzstamm: AV436 alias ZIM:B1056, BCCM/LMG:31304 oder CCM:8959 Komagataeibacter nataicola ( et al. 2006) et al. 2013 Referenzstamm: JCM:25120 alias BCCM/LMG:1536 oder NRIC:0616 weiterer Stamm: RZS01 Komagataeibacter oboediens ( et al. 1998) et al. 2013 Referenzstamm: CIP:105763 alias DSM:11826, JCM:16937, BCCM/LMG:18849 oder LTH:2460 weitere Stämme: 174Bp2, MSKU 3, IMBG180, IMBG185, IMabG 314, LMD 29.8, LMG 1689 und DSM 11826 Komagataeibacter pomaceti et al. 2019 Referenzstamm: BCC 36444 alias JCM:25121, BCCM/LMG:1582 oder NRIC:0614 Komagataeibacter rhaeticus ( et al. 2005) et al. 2013 Referenzstamm: DST GL02 alias DST GL_02, DSM:16663, JCM:17122 oder BCCM/LMG:22126 weitere Stämme: ENS9a, AF1 Komagataeibacter saccharivorans ( et al. 2006) et al. 2013 Referenzstamm: BCC 36444 alias JCM:25121, BCCM/LMG:1582 oder NRIC:0614 weiterer Stamm: CV1 Komagataeibacter sucrofermentans ( et al. 1996) et al. 2013 Referenzstamm: BPR 2001 alias DSM:15973, JCM:9730 oder BCCM/LMG:18788 Komagataeibacter swingsii ( et al. 2005) et al. 2013 Referenzstamm: DST GL01 alias DST GL_01, DSM:16373, JCM:17123 oder BCCM/LMG:22125 Komagataeibacter xylinus et al. 2013 (Typusart) Referenzstamm: NBRC:15237 alias DSM:6513, NCIMB:11664, BCCM/LMG:1515, CIP:103107, JCM:7644 oder IFO:15237 weitere Stämme: LMG 1515, DSM 2325, K1G4, DSM 46590, E25, NBRC 13693 alias JCM 7664, NBRC 15237, CGMCC 2955 und NBRC 3288 Komagataeibacter sp. K2A8
Komagataeibacter xylinus Komagataeibacter xylinus ist eine Bakterienart, deren Bedeutung vor allem darin liegt, dass sie Cellulose (Bakteriencellulose oder Nanocellulose) produzieren kann.
Der optimale pH-Wert dieser Bakterien liegt bei 5,4 bis 6,3 und die optimale Temperatur für die Kultivierung bei 25 bis 30 °C. Außerhalb dieses pH- und Temperaturbereichs verlangsamt sich das Bakterienwachstum, starke Abweichung kann sogar zum Absterben der Bakterien führen.
Forschungsgeschichte und Systematik Die Art (Spezies) wurde erstmals 1886 von Adrian John Brown beschrieben, der das Bakterium bei Untersuchungen zur Fermentation identifizierte. Brown gab der Art den Namen Bacterium xylinum. (Bacterium war ursprünglich einmal eine Gattungsbezeichnung). Seitdem ist die Art unter verschiedenen anderen Namen bekannt, vor allem Acetobacter xylinum und Gluconacetobacter xylinus. Ihren heutigen Namen erhielt sie 2012 mit der Etablierung der neuen Gattung Komagataeibacter als Typusart der Gattung.
Genom und Stoffwechsel Das Genom des Cellulose-defizientenCellulose-defizient = kann keine Cellulose produzieren Stammes K. xylinus NBRC 3288 wurde 2011 sequenziert, gefolgt von den Genomen Zellulose-produzierender Stämme in den Jahren 2014 (Stamm E25) und 2018 (Stamm CGMCC 2955). Der erste dieser beiden Zellulose-produzierende Stämme (E25) hat ein Genom, das aus einem Chromosom mit 3,4 Megabasenpaaren und fünf Plasmiden besteht, von denen eines ein „Megaplasmid“ mit etwa 330 Kilobasenpaaren ist. Die Schlüsselgene für die Celluloseproduktion befinden sich im Vier-Gen-Operon bcsABCD, das für die vier Untereinheiten des Enzyms Cellulose-Synthase kodiert. Alle vier Gene sind für eine effiziente Celluloseproduktion in vivo erforderlich, wobei BcsA und BscB in vitro ausreichend sind. Mehrere andere Gene im Genom von K. xylinus sind ebenfalls an der Celluloseproduktion und -regulierung beteiligt, darunter ein Cellulase-Enzym.
Bedeutung und Anwendungen mini|hochkant=0.8|Nata de coco von den Philippinen. mini|hochkant=0.8|Rote Nata de coco in Sirup. mini|hochkant=0.8|Nata de coco mit Früchten (vgl. „Obstsalat“). K. xylinus wurde lange Zeit als Modellorganismus für die Untersuchung der Celluloseproduktion in Pflanzen verwendet. Die Spezies dient ebenfalls zur Untersuchung der bakteriellen Biofilmproduktion, der Zell-Zell-Kommunikation und anderer interessanter Themen. Die Produktion von bakterieller Cellulose (BC) für industrielle Zwecke ist Gegenstand umfangreicher Forschungsarbeiten, ist jedoch (noch) begrenzt bzgl. Produktivität und Skalierbarkeit (Stand 2018).
Eine weitere potenzielle Anwendung für K. xylinus ist die Herstellung von Papier: die Spezies könnte zur Herstellung von starkem Papier ohne Holz verwendet werden. Das in einem energieeffizienten und umweltfreundlichen Verfahren hergestellte Material könnte als alternatives Verpackungsmaterial zum Frischhalten von Lebensmitteln verwendet werden oder für Trinkpäckchen, Lautsprechermembranen, zur Wundversorgung etc. Im Jahr 2007 gewann dieser Vorschlag von Mareike Frensemeier für eine mögliche Anwendung mit dem Titel Bacs den dritten Platz beim Bayerischen MaterialScience VisionWorks Award.
K. xylinus (früher Acetobacter xylinus) ist der wichtigste Mikroorganismus in der Kombucha-Kultur und wird auf den Philippinen traditionell auch für die Herstellung der geleeartigen Desserts Nata de Piña und Nata de Coco verwendet, die aus Ananassaft respektive Kokosnusswasser hergestellt werden. Die erstere Variante wird bereits seit dem 18. Jahrhundert hergestellt.
Komagataeibacter hansenii
mini|Bakterielles Nanocellulose-Netz (BNC), hergestellt von K. hansenii ATCC 23769. mini|K. hansenii ATCC 2376: vom Wildtyp (WT) gebildete Kolonien, 5. Tag der Inkubation. Komagataeibacter hansenii ist eine weitere Spezies der Essigsäurebakterien, die als Modellorganismus für die Biosynthese von bakterieller Cellulose dient, der Stamm ATCC 23769 wurde vollständig sequenziert. Der Stamm CGMCC 3917 von K. hansenii (alias Gluconacetobacter hansenii) kann bakterielle Cellulose produzieren, wobei ihm lediglich Abfälle an Bierhefe als Nahrungsquelle dienen.
In vielen Ländern (insbesondere auch in China) ist die Bierherstellung ein wichtiger Wirtschaftszweig. Dort können entsprechend große Mengen an Bierhefeabfällen (, WBY) als Nebenprodukt der Brauereiindustrie anfallen. Diese werden, soweit sie nicht an Vieh und Geflügel verfüttert werden, weggeworfen, was nicht nur zu einer Reihe von Umweltproblemen führt, sondern auch eine enorme Verschwendung von Ressourcen darstellt. Cellulose ist ein wichtiger Rohstoff mit vielerlei Anwendungen. Dabei zeigt bakterielle gegenüber pflanzlicher Cellulose viele ungewöhnliche physikalisch-chemische und mechanische Besonderheiten. Dazu gehören u. a. eine höhere Reinheit, eine höhere Wasseraufnahme- und -haltekapazität; ein höherer Polymerisationsgrad geht einher mit einer höheren Zugfestigkeit. Die mikrobiologische Produktion von dieser besonderen Form der Cellulose könnte daher eine neue besonders nützliche Lösung des Entsorgungsproblems der überschüssigen Bierhefeabfälle sein.
Komagataeibacter nataicola Komagataeibacter nataicola ist eine Spezies, die reichlich bakterielle Cellulose (BC) produzieren kann und hohe Konzentrationen von Essigsäure toleriert. Das Genom des Cellulose-produzierenden Stammes RZS01 wurde 2017 von Zhang et al. vollständig sequenziert. Es besteht aus einem Chromosom von 3.485.191 bp (Basenpaaren), dazu kommen 6 Plasmide mit 25.766 bp bis 102.282 bp. Es gibt im Genom vorhergesagt 3.609 Offene Leserahmen (, ORFs), die für 3.514 Proteine kodieren und drei Cellulose-Synthase-Operons tragen.
Die Spezies findet in Neuseeland (aufgrund ihrer Säureverträglichkeit) Anwendung zur Herstellung von Tamarillo-Essig ().
Komagataeibacter oboediens mini|hochkant=1.7|Genomkarte von K. oboediens IMBG180 und IMBG1805 mit den beiden Prophagen:RhodPhage: „Rhodovulum-Phage RS1“RuegPhage: „Ruegeria phage DSS3-P1“