Syntrophus ist eine Gattung von Bakterien. Die Arten kommen in sauerstoffarmen Süßwassersedimenten oder im Schlamm aus anaeroben Kläranlagen vor. Sie können eine Syntrophie mit bestimmten Arten von Archaeen bilden. Die Arten können Benzoat (das Anion der Benzoesäure) und viele verwandte Aromaten, einige Fettsäuren und Alkohole nutzen.
Bei Syntrophus aciditrophicus wurde erstmalig die Enoyl-Coenzym-A Atmung beschrieben.
Merkmale Die Zellen von den drei Arten Syntrophis buswellii, S. aciditrophicus und S. gentianae sind stäbchenförmig mit abgerundeten Enden. Die Größe liegt bei 0,5–0,8 µm × 1,0–2,0 µm. Sie kommen einzeln und auch paarweise vor. Der Gram-Test erfolgt negativ. Endosporen werden nicht gebildet. Aus anoxischen (sauerstofffreien) Süßwassersedimenten oder Klärschlammbehandlungsanlagen isolierte Syntrophus-Stämme sind teilweise nur in frühen Wachstumsphasen beweglich.
Stoffwechsel mini|Crotonsäure mini|Cyclohexancarbonsäure Bestimmte Substrate, wie Benzoesäure oder Fettsäuren, werden in Gegenwart von Wasserstoff (H2) oxidiert. Dies geschieht auch in einer Syntrophie mit methanogenen Archaeen oder sulfatreduzierenden Bakterien. Syntrophus aciditrophicus kann in Gegenwart von Crotonat sowohl als Elektronenakzeptor als auch als Elektronendonator für die Benzoatreduktion zu Cyclohexancarboxylat wachsen. Die Oxidation ist unvollständig und führt zu Acetat.
Crotonat wird von allen Arten fermentiert, während aromatische Verbindungen wie Benzoat, Gentisat, Hydrochinon und Zimtsäure nicht von allen Arten fermentiert werden (s.h. Tabelle). mini|Acetat Die Fermentation von Crotonat verläuft bei S. buswellii in Reinkultur, also ohne einen syntrophischen Partner, nach folgender Formel: 2 Crotonat- + 2 H2O → 2 Acetat- + Butyrat- + H+
In einer Reinkultur von Syntrophus gentianae werden Gentisat und Hydrochinon zu Benzoat, Acetat und CO2 fermentiert.
Eine Reinkultur von S. aciditrophicus fermentiert 1 mol Benzoat zu 1,5 mol Acetat, 0,5 mol Cyclohexancarboxylat und 0,5 mol CO2 und ist in der Lage, Crotonat zu Acetat abzubauen, wobei Benzoat zu Cyclohexancarboxylat reduziert wird. mini|GentisinsäureEine Desulfurikation (also eine Nutzung von Sulfat, Sulfit, Thiosulfat oder Schwefel) oder eine Nitratatmung wurde nicht beobachtet.
Die Zellen enthalten Cytochrome vom b- und c-Typ und nicht identifizierte Menachinone. Sie sind mesophil, optimale Wachstumstemperaturen liegen zwischen 28 und 37 °C. Sie sind neutrophil, der optimale pH-Wert für das Wachstum liegt bei 7,1–7,4. mini|Zimtsäure (Cinnamic acid) Es folgt eine Tabelle mit einigen Merkmalen: EigenschaftenSyntrophus buswelliiSyntrophus aciditrophicusSyntrophus gentianaeMorphologieStabförmigStabförmigStabförmigZellgröße (µm)0,8 × 1,0–2,00,5–0,7 × 1,0–1,60,8–1,0 × 1,3–1,6Motilität +/− +−GC-Gehalt (mol%)54,3 (Bd), 54,6 ( T m )51,5 (Genom)52,5 (Genom)Optimaler pH-Wert7.27.27.1–7.4Optimale Temperatur (°C)373528Optimale NaCl-Konzentration (g/l)0–30–30–1WachstumsfaktorbedarfVitamine und geklärte PansenflüssigkeitB-VitamineVitamine und HefeextraktOxidation des SubstratsUnvollständigUnvollständigUnvollständigVerwendete ElektronendonatorenH₂ / CO₂−−−Formiat−−−Acetat−−−Fettsäuren−C4a , C6a , C7a, C16a , C 18a−AndereCrotonatb , Zimtsäureb , Benzoatc und PhenylpropionatcCrotonatb, ungesättigte Hexanoate und Octanoatea, Methylester von Butyrat und Hexanoata sowie Benzoatb,cCrotonatb, Gentisatb, Hydrochinonb und BenzoatcFermentatives Wachstum (Gärung) + + +Disproportionierung reduzierter SchwefelverbindungenNrNrNrVerwendete ElektronenakzeptorenSulfat−−−Sulfit−−−Thiosulfat−−−Schwefel−−−AndereCrotonatCrotonat−
Symbole: −, negativ; Nr, nicht angegeben. a Wird nur mit H2/Formiat-verwendenden Partnern verwendet. b Wird beim fermentativen Wachstum verwendet. c Wird mit Crotonat als Elektronenakzeptor oder mit H2/Formiat-verwertenden Partnern verwendet.
Syntrophie und der Abbau von Benzoat Syntrophie bezeichnet die gegenseitige metabolische Abhängigkeit zwischen verschiedenen Arten, die gemeinsam ein Substrat verwerten und stellt ein zentrales Merkmal für die Entstehung eukaryotischen Lebens dar. Während Arten von Syntrophus die Oxidation von Benzoat zu Acetat durchführt, nutzt der methanogene Partner den hierbei gebildeten Wasserstoff kontinuierlich und hält somit den Wasserstoffgehalt der Umgebung auf einen sehr geringen Maßstab. Somit kann die Reaktion energieliefernd (exergon) ablaufen. Eine Anreicherung von H2 würde nämlich dazu führen, das die Oxidation von Benzoat zu Acetat und H2 endergon abläuft und somit keine Energie liefert. Sind aber nur noch verschwindend geringe Anteile von H2 vorhanden, läuft die Reaktion exergon ab und liefert dem Organismus somit Energie.Michael T. Madigan, John M. Martinko, Jack Parker: Brock - Mikrobiologie. 13. aktualisierte Auflage, Pearson Studium, München 2013, ab S. 579, ISBN 978-3-86894-144-9
Ein Mol Benzoat wird durch syntrophe Kokulturen von Syntrophus zu 3 Mol Acetat, 1 Mol CO2 und 3 Mol H2 abgebaut. Der Wasserstoff wird von den sulfatreduzierenden oder methanogenen Partnern verbraucht. Das Benzoat wird durch eine Pyrophosphat-bildende Benzoyl-CoA-Ligase und nicht durch eine Benzoyl-CoA-Transferase aktiviert. Bei Syntrophus gentianae und S. aciditrophicus wird das durch diese Reaktion gebildete Pyrophosphat durch eine membrangebundene, protonentranslozierende Pyrophosphatase gespalten. Im Genom von S. aciditrophicus wurden Gene einer ATP-unabhängigen Benzoyl-CoA-Reduktase gefunden. Der weitere Abbau wird durch Glutaryl-CoA-Dehydrogenase katalysiert, gefolgt von einer Na+ - translozierenden Glutaconyl-CoA-Decarboxylase und Enzymen des β-Oxidationswegs. Der umgekehrte Elektronentransport, gekoppelt an Cytochrome und Menachinonen, ist an der H2-Produktion während der Benzoatoxidation in Kokulturen beteiligt. Es wird angenommen, dass diese Bakterien maximal ⅓ bis ⅔ mol ATP pro mol oxidiertem Benzoat synthetisieren können. Die Hauptquelle für ATP könnte eine Substratkettenphosphorylierung über Pyrophosphat und die AMP-bildende Acetyl-CoA-Synthetase sein, die in Richtung der Acetatproduktion arbeitet.
Enoyl-Coenzym-A-Atmung 433x433px|mini|Enoyl-CoA-Atmung Viele syntrophe Bakterien können auch ohne syntrophen Partner mit ungesättigten Fettsäuren wie Crotonat wachsen. Dies trifft auch auf Syntrophus aciditrophicus und S. busellii zu. Dieser Stoffwechselweg wurde am Beispiel der Art Syntrophus aciditrophicus beschrieben und als Enoyl-CoA-Atmung (engl.: enoyl-CoA respiration) bezeichnet. Dabei werden die bei der Oxidation eines Crotonats zu zwei Acetatmolekülen entstehenden Reduktionsäquivalente durch die Reduktion eines zweiten Crotonats zu Butyrat regeneriert.
Es werden die Reduktionsäquivalente, die bei dieser Oxidation eines Crotonats zu zwei Acetatmolekülen entstehen, durch die Reduktion eines zweiten Crotonats regeneriert. Während des alleinigen Wachstums von Syntrophus aciditrophicus mit Crotonat wird die NAD⁺-abhängige Oxidation von 3-Hydroxybutyryl-CoA zu Acetoacetyl-CoA über den Formiatzyklus an die Reduktion von Crotonyl-CoA gekoppelt. In diesem Prozess wird das intrazelluläre Formiat, das durch eine NAD+ -regenerierende CO2-Reduktase gebildet wird, von einer periplasmatischen, membrangebundenen Formiatdehydrogenase aufgenommen. Diese reduziert zusammen mit einem membrangebundenen Elektronentransfer-Flavoprotein (ETF) und einer Acyl-CoA-Dehydrogenase intrazelluläres Enoyl-CoA zu Acyl-CoA. Dieser neuartige Energiestoffwechsel erzeugt über eine Methylmenachinon-abhängige Redoxschleife eine protonenmotorische Kraft.
„Candidatus Syntrophus pelomyxae“ 360x360px|mini|Stoffwechsel von Ca. Syntrophus pelomyxae, rekonstruiert anhand des Genom-Entwurfs mini|Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen von Pelomyxa schiedti. Ein Überblick über die P. schiedti-Zelle mit dem Zellkern (N); die unterschiedlichen Pfeilspitzen weisen auf unterschiedliche prokaryotische Morphotypen hin; Offene Pfeilspitzen zeigen auf mutmaßliche „Ca. Vesiculincola pelomyxae“-Zellen, während weiß ausgefüllte Pfeilspitzen auf mutmaßliche „Ca. Methanoregula pelomyxae“-Zellen hinweisen. B Detail des Zellkerns und der um ihn herum befindlichen bakteriellen Symbionten; Weiße Pfeilspitzen zeigen auf mutmaßliche „Ca. Mr. pelomyxae“-Zellen, während schwarze Pfeilspitzen auf mutmaßliche MROs (mit Mitochondrien verwandten Organellen) hinweisen. C,D Detail der bakteriellen Symbionten, die sich im Zytosol (schwarz gefüllte Pfeilspitzen) und innerhalb der Vakuole (weiße Pfeilspitzen) befinden. Die Bakterienzellen in der Vakuole (C) befinden sich im Prozess der Endosporenbildung; Der Durchmesser der Sporangien ist erheblich größer als der der vegetativen Zellen (D). Die schwarz ausgefüllten Pfeilspitzen in C und D weisen auf mutmaßliche „Ca. Syntrophus pelomyxae“-Zellen hin.|360x360px
Die Art „Candidatus Syntrophus pelomyxae“ kommt innerhalb der Zelle der Amöben-Art Pelomyxa schiedti vor. Hier bildet es zusammen mit dem Bakterium „Candidatus Vesiculincola pelomyxae“ und dem Archaeon „Candidatus Methanoregula pelomyxae“ eine syntrophe Gemeinschaft. Die Amöbe P. schiedti bildet Monosaccharide, die das Wachstum von „Ca. V. pelomyxae“ fördern. „Candidatus S. pelomyxae“ nutzt Butyrat und Isovalerat und bildet Acetat. Der von „Candidatus S. pelomyxae“ erzeugte Wasserstoff wird von dem Archaeon sofort aufgenommen und somit der Wasserstoffgehalt innerhalb der Wirtszelle gering gehalten. Im Stoffwechsel von „Candidatus S. pelomyxae“ werden die Substrate durch β-Oxidation zu Acetyl-CoA umgewandelt, woraufhin ATP produziert wird. Unter Standardbedingungen ist die Fermentation von Butyrat und Isovalerat zu Acetat und H2 thermodynamisch ungünstig, wird aber bei niedrigem Wasserstoffpartialdruck exergonisch. Enzyme, die es „Ca. Syntrophus pelomyxae“ ermöglichen würden, andere Elektronenakzeptoren wie Fumarat, Sauerstoff oder Sulfat zu nutzen, wie sie bei anderen Vertretern der Syntrophobacterales vorkommen, waren nicht vorhanden.
Genetik Das Genom des Typstamms von S. aciditrophicus ist 3.179.300 Basenpaare groß und kodiert für 3.168 Proteine und 58 stabile RNAs. Das Genom des Typstamms von S. gentianae ist 3.716.692 bp groß und kodiert für 3.397 Proteine und 69 stabile RNAs.
Ökologie Syntrophus-Arten kommen in anoxischen, sulfidhaltigen Süßwassersedimenten oder Klärschlammbehandlungsanlagen vor. Sie sind sehr häufig in methanogenen Ökosystemen, die reich an organischen Verbindungen sind. Marine Isolate wurden bisher nicht gewonnen. Die noch nicht alleine kultivierte Art „Candidatus Syntrophus pelomyxae“ kommt zusammen mit dem Bakterium „Candidatus Vesiculincola pelomyxae“ und dem Archaeon „Candidatus Methanoregula pelomyxae“ innerhalb einer Amöbenart vor. Die Art Syntrophus aciditrophicus wurde aus dem sekundären anaeroben Faulschlamm der kommunalen Kläranlage in Norman, Oklahoma, isoliert. Es kommt allgemein im Klärschlamm kommunaler Kläranlagen vor. Der Typstamm von Syntrophus buswellii Stamm DM-2 wurde als syntrophe Kokultur mit H2 und Formiat verwertenden Partnern (Methanogenen oder Desulfovibrio sp.) unter Verwendung von Benzoat als Substrat aus anaerobem Faulschlamm der kommunalen Kläranlage in Urbana gewonnen. Später wurde eine Reinkultur gewonnen, wobei Crotonat als Substrat für das fermentative Wachstum verwendet wurde. Syntrophus gentianae wurde aus anoxischem Klärschlamm in Göttingen isoliert. Die beiden Arten kommen in anoxischen Süßwassersedimenten vor.
Die syntrophe Interaktion von fermentierenden Bakterien und methanogenen Archaeen ist wichtig für den globalen Kohlenstoffkreislauf. Sie ermöglicht beispielsweise die Umwandlung von aus Biomasse stammenden Zwischenprodukten in Methan.
Systematik