Thermoanaerobacterium ist eine Gattung von Bakterien. Es handelt sich um extrem thermophile ("wärmeliebende") Bakterien mit einem Wachstumstemperaturoptimum zwischen (je nach Art) 55 und 70 °C. Der Name Thermoanaerobacterium bedeutet soviel wie: "Ein Stäbchen, das unter Luftabschluss bei hohen Temperaturen wächst". Die Arten sind anaerob, kommen also in sauerstofffreien Umgebungen vor, wie beispielsweise in anaeroben Flusssedimenten oder heißen Quellen. Energie gewinnen sie durch die Gärung von verschiedenen Verbindungen, wie beispielsweise Milchsäure.
Merkmale Die Zellen der Arten von Thermoanaerobacterium besitzen eine grampositive Zellwandstruktur, bei vielen Stämmen fällt der Gram-Test allerdings negativ aus. Die Zellen sind stäbchenförmig und bewegen sich meist durch peritriche Flagellen fort, eine Ausnahme ist Thermoanaerobacterium aciditolerans, das eine einzelne, polare Flagelle besitzt. Endosporen werden von einigen Arten gebildet. Ein hexagonaler S-Layer ist typischerweise vorhanden, kann aber aufgrund extrazellulärer hydrolytischer Enzyme, die an den Zellen anhaften, schwer sichtbar sein. Die Arten sind obligat anaerob.
Der S-Layer von Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum ist insofern ungewöhnlich, als ihr eine kovalente Bindung zwischen dem S-Layer-Glycan, dem Peptidoglycan und dem S-Layer-Protein fehlt. Die Molekülmasse der monomeren Untereinheit des Haupt-S-Layer-Proteins des Stammes E207-71 wurde mit ca. 75 kDa bestimmt. Auch die S-Layer-Einheiten von Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum D120-70 wurde eingehend untersucht.
Zytoskelettelemente von Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum wurden mittels Elektronenmikroskopie beobachtet und es wurde angenommen, dass sie eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der Zellform sowie bei der Bildung von Membranvesikeln zur Freisetzung von Stärke hydrolysierenden Enzymen.
Die Sporulation wurde bisher nur bei einigen Arten beobachtet und gilt nicht als zuverlässiger taxonomischer Marker, da eine Mutation in einem der vielen sequenziell wirkenden Genprodukte die Sporulation einer Art verhindern kann. Mikroorganismen, die alle oder die meisten Sporulationsgene besitzen, aber keine Sporen bilden, werden als „asporulierend“ (englisch „asporulating“) bezeichnet. Häufige Sporulationsgene sind in einigen asporulierenden Thermoanaerobacterium-Arten vorhanden. Die Inaktivierungskinetik von Endosporen von Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum während druckunterstützter thermischer Behandlung wurde untersucht, um die Endosporeninaktivierung besser zu verstehen.
Stoffwechsel mini|Succinat (Anion der Bernsteinsäure) mini|Buttersäure. Butyrat, das Anion dieser Säure, wird von einigen Arten gebildet. Die Arten von Thermoanaerobacterium sind obligat anaerob und gewinnen Energie durch die Gärung. Sie nutzen hierzu verschiedene Kohlenhydrate wie Glucose oder Xylose.
Hefeextrakt stimulieren das Wachstum der meisten Arten. Endprodukte der Gärung von Hexosen (6-fach Zucker, wie bsp. Glucose) sind meist: Essigsäure, Ethanol, Milchsäure, Wasserstoff (H2) und CO2. In einigen Fällen entstehen Butyrat und Butanol (z. B. bei Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum). Alle Stämme mit Ausnahme von Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum enthalten Menachinon-7 als Hauoptchinon. Zu dieser Gattung gehören einige gut charakterisierte Arten, wie beispielsweise Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum (Basonym Clostridium), welche auch aus als „Konservenverderber“ bezeichnet wird, da sie in Konserven auftreten und verderben können.
Der Katalase-Test fällt negativ aus. Der tolerierte Temperaturbereich für das Wachstum der Arten dieser Gattung ist extrem groß (35–75 °C). Auch der pH-Bereich für das Wachstum ist groß (3,2–8,5). Das niedrigste pH-Optimum liegt bei 5,2 für Thermoanaerobacterium aotearoense und ist damit das niedrigste pH-Optimum für ein gültig publiziertes, anaerobes, thermophiles Bakterium. Auch Thermoanaerobacterium aciditolerans weist mit 3,2 das niedrigste minimale pH-Optimum für das Wachstum auf. Das höchste pH-Optimum liegt bei 7,8–8,0 für Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum. Bisher wurden keine echten alkalithermophilen Arten isoliert, also Arten die ausschließlich in extremen alkalischen Umgebungen unter hohen Temperaturen wachsen können.
Es folgt eine Tabelle mit einigen Arten und deren Merkmalen: +T. aciditoleransT. aotearoenseT. polysaccharolyticum (nun Caldanaerobius polysaccharolyticus)T. saccharolyticumT. thermosaccharolyticumT. thermosulfurigeneT. xylanolyticumT. zeae (nun Caldanaerobius zeae)Sporenbildung + +− - + + + -Optimale Temperatur55 °C60–63 °C65–68 °C60 °C55–62 °C60 °C60 °C65–70 °COptimale pH-Werte5.7 5.2 6.8–7.0 6.0 7.8 5.5–6.5 6.0 NBGC-Gehalt im mol %3434.5–35463629–3232.636.142Produkte der Fermentation von GlucoseButtersäure −−−− +−−−Ameisensäure−− +−−−− +Milchsäure + + + + + +−−Bernsteinsäure−−−− +−−−Pektin zur Gärung benutztNB +−− + +−−Lactose zur Gärung benutzt + + + + +− + +Reduktion von Thiosulfat zu:Schwefelwasserstoff−− +− +−−−elementarer Schwefel (S0) + +− +− + +−
Symbole und Abkürzungen: +, 90 % oder mehr der Stämme sind positiv; −, 10 % oder weniger der Stämme sind positiv; NA, keine Angaben, obwohl die Elektronenmikroskopie auf eine grampositive Zellwandstruktur hindeutet; v, variabel; NB, nicht bestimmt.
Alle Arten sind beweglich und produzieren bei der Fermentation von Glukose Essigsäure, Ethanol, H2 und CO2.
Schwefel Die Reduktion von Thiosulfat zu elementarem Schwefel (S0) anstelle zu Schwefelwasserstoff (H2S) galt einst als Unterscheidungsmerkmal dieser Gattung von Thermoanaerobacter. Mit der Reklassifizierung von Clostridium thermosaccharolyticum, das Sulfid (HS-) aus Thiosulfat produziert, zu Thermoanaerobacterium und der Isolierung von Thermoanaerobacter sulfurigignens, das ausschließlich Schwefel produziert, erwies sich diese Verallgemeinerung als unzuverlässig. Die Schwefelgranula in Thermoanaerobacter sulfurigignens und Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes bestehen aus linearen Schwefelketten mit organischen Resten an den Enden. Wahrscheinlich spielt ein Rubredoxin eine Rolle im zellulären Schwefelstoffwechsel in Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum.
Eine klassische Desulfurikaton (Sulfatatmung) findet nicht statt. Stattdessen wandeln einige Arten Thiosulfat in elementaren Schwefel um und speichern ihn als intrazelluläre Granula, während andere Sulfit oder Thiosulfat zu Schwefelwasserstoff (H2S) reduzieren. Einige Arten weisen überhaupt keinen Schwefelstoffwechsel auf. Insgesamt scheint Schwefel kein zentraler Bestandteil der Energiegewinnung bei diesen Bakterien zu sein, sondern spielt eher eine artspezifische Nebenrolle in ihrem Stoffwechsel.
Genetik Es wurden von mehreren Vertretern der Gattung das vollständige Genom sequenziert, beispielsweise von Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum DSM 571 und Thermoanaerobacterium sp. Stamm RBIITD.
Thermoanaerobacterium saccharolyticum eignet sich möglicherweise als Wirt für die Expression rekombinanter Gene anderer themophilen Bakterien und es wurden Vektoren zu diesem Zweck konstruiert. Die Nützlichkeit eines von CAK1 abgeleiteten Phagemids, eines vorgeschlagenen Gentransfersystems für Clostridien, wurde genutzt, um rekombinantes Thermoanaerobacterium polysaccharolyticum manA in Escherichia coli zu exprimieren. Das β-Galactosidase-Gen aus Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes EM1 wurde als Reportergen zur Charakterisierung von Promotoren verwendet, die für die Solventogenese (beispielsweise die Bildung von Aceton und Butanol) und Acidogenese in Clostridium acetobutylicum benötigt werden.
Die eindeutige Beschreibung von Plasmiden ist bei den thermophilen anaeroben Bacillota (früher als Firmicutes bezeichnet) selten. Das Team um N. G. Belogurova charakterisierte ein Plasmid aus Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum.
Nutzung Die von Thermoanaerobacterium-Arten produzierten thermostabilen Enzym sind von Interesse für industrielle Anwendungen. Hierzu zählt eine Xylose-Isomerase. Das Enzym aus Thermoanaerobacterium saccharolyticum und Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes 4B ist hochgradig thermostabil und wurde heterolog in Escherichia coli und Bacillus exprimiert. Im Gegensatz zu kommerziellen Enzymen weist die Xylose-Isomerase aus Thermoanaerobacterium saccharolyticum JW/SL-YS489 ein saures pH-Optimum auf. Daher eignet sie sich besser für industrielle Anwendungen, da nach der Verzuckerung keine pH-Wert-Änderung mehr erforderlich ist.
Rekombinante Xylose-Isomerasen wurden auch für die Saccharidasesynthese und in einstufigen Verfahren zur Süßstoffherstellung eingesetzt. Das Gen für die D -Xylose-Ketol-Isomerase von Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes wurde zudem als selektierbarer genetischer Marker in transgenen Pflanzenzellen vorgeschlagen.
Die kinetischen Eigenschaften und die Struktur der β-Galactosidase aus Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes EM1 wurden bereits beschrieben. Xylan und Hemicellulose werden hydrolysiert, und die entstehende Xylose wird von nahezu allen Arten von Thermoanaerobacterium fermentiert. Es wurden viele verschiedene hemicellulolytische Enzyme von Thermoanaerobacterium detailliert untersucht.
Thermoanaerobacterium als Schädling Thermoanaerobacterium kann Verderb von Konserven verursachen. Eine unzureichende Kühlung nach dem Erhitzen bei der Herstellung oder Lagerung bei hohen Temperaturen ermöglicht die Keimung und das Wachstum thermophiler Sporenbildner. Arten von Thermoanaerobacterium und anderen thermophilen Arten, wie beispielsweise der GattungThermoanaerobacter, können große Mengen an Wasserstoff und Kohlendioxid produzieren und bei hohen Temperaturen in Konserven eine saure Gärung hervorrufen.
Ökologie Zu den bekannten Lebensräumen zählen geothermische und künstliche thermobiotische (warme bis heiße) Umgebungen, wie zum Beispiel leicht alkalische, neutrale und leicht saure heiße Quellen, Hochtemperatur-Erdöllagerstätten, organische Abfallhalden, Industrieabflüsse mit erhöhten Temperaturen, die Kohlenhydrate enthalten und thermische vulkanische Algen-Bakterien-Matten sowie einige temperaturgemäßigte Umgebungen, wie zum Beispiel verschiedene Böden (einschließlich landwirtschaftlicher Flächen), Sedimente von leicht alkalischen und sauren Quellen, Tartrat-Infusionen von Traubenresten, Teich- und Flusssedimente und Fruchtsaftabfallprodukte.
Systematik 360x360px|mini|Phylogenetischer Baum basierend auf 16S-rRNA-Gensequenzen, der die Position von „T. calidifontis“ Rx1 in der Gattung Thermoanaerobacterium zeigt Die Gattung Thermoanaerobacterium zählt zu der Familie Thermoanaerobacteraceae.
Die Arten Thermoanaerobacterium polysaccharolyticum und Thermoanaerobacterium zeae wurden in die neue Gattung Caldanaerobius umgeordnet, deren Typusart Caldanaerobius fijiensis ist. Diese Neuklassifizierung basiert auf der geringen Sequenzähnlichkeit ihrer 16S-rRNA-Gene (weniger als 90 % Ähnlichkeit mit den Genen von Thermoanaerobacterium, Caldanaerobacter und Thermoanaerobacter). Unterstützt wird dies durch den höheren GC-Gehalt ihrer DNA (42–46 Mol %) im Vergleich zu 29–36 Mol % bei den übrigen Arten von Thermoanaerobacterium sowie durch die Bildung von Formiat, was auf das Vorhandensein der Pyruvat-Formiat-Lyase in diesen Arten hinweist.
Es folgt eine Liste der Arten: Thermoanaerobacterium aciditolerans Thermoanaerobacterium aotearoense Thermoanaerobacterium butyriciformans "Thermoanaerobacterium calidifontis" Thermoanaerobacterium saccharolyticum Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum Thermoanaerobacterium thermostercoris Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes Thermoanaerobacterium thermosulfurogenes Thermoanaerobacterium xylanolyticum
Einzelnachweise Rob U. Onyenwoke, Juergen Wiegel: Thermoanaerobacterium In:
Genutzte Literatur Rob U. Onyenwoke, Juergen Wiegel: Thermoanaerobacterium In:
Weblinks
NCBI
Kategorie:Clostridien Kategorie:Bacillota