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Clostridium ljungdahlii ist eine Bakterienart aus der Gattung der Clostridien Sie lebt in sauerstofffreien Substraten un

Clostridium ljungdahlii

Clostridium ljungdahlii ist eine Bakterienart aus der Gattung der Clostridien. Sie lebt in sauerstofffreien Substraten und wurde 1988 erstmals aus dem Abfall eines Hühnerzuchtbetriebs isoliert. Unter ungünstigen Lebensbedingungen bildet sie nach wenigen Stunden Endosporen, die mehrere Jahre als Überdauerungsstadien überleben und unter anaeroben Bedingungen wieder zu vegetativen Bakterien werden.

Clostridium ljungdahlii

Clostridium ljungdahlii unter verschiedenen Wachstumsbedingungen, die Maßstabsleiste beträgt 500 nm.

Systematik
Wissenschaftlicher Name
Clostridium ljungdahlii
Tanner et al. 1993

Sämtliche Informationen über das Bakterium entstammen der Untersuchung von Laborkulturen, Beobachtungen aus den Ursprungssubstraten liegen nicht vor. Aufgrund seiner Fähigkeit, fermentativ Ethanol und Essigsäure auf der Basis von Synthesegas herzustellen (Synthesegas-Fermentation), hat es eine potenzielle Bedeutung für die industrielle Biotechnologie, wobei bereits Produktionsanlagen im Pilotmaßstab existieren. Im Jahr 2010 wurde zum besseren Verständnis des Stoffwechsels und zur Optimierung des Bakteriums als Produktionsorganismus das Genom von Clostridium ljungdahlii sequenziert und publiziert.

Merkmale Bearbeiten

Innerhalb der Bakterien und insbesondere auch innerhalb der Clostridien werden die Arten vor allem aufgrund ihrer Stoffwechseleigenschaften und molekularbiologischer Merkmale unterschieden, während morphologische Merkmale nur begrenzt für die Bestimmung einzelner Arten nutzbar sind.

Morphologie Bearbeiten

Clostridium ljungdahlii ist ein stäbchenförmiges, motiles, grampositives Bakterium. Die Breite der Bakterienzelle beträgt 0,6 μm bei einer Länge von 2 bis 3 μm. Die Zelloberfläche ist von einer 0,1 bis 0,2 μm dicken Zellumhüllung umgeben. Wie andere Clostridien kann sich auch dieses mit den auf der gesamten Bakterienoberfläche gleichmäßig angeordneten Geißeln (peritrich) aktiv bewegen und bildet keine Zellkolonien. An den beiden Zellpolen (terminal und subterminal) kann das Bakterium Endosporen bilden.

Stoffwechsel Bearbeiten

Clostridium ljungdahlii lebt unter anoxischen (anaeroben) Bedingungen, also in einer Umgebung ohne Sauerstoff. Das pH-Optimum für das Wachstum des Bakteriums liegt im leicht sauren Bereich von 6,0 mit einem Toleranzbereich zwischen 4,0 und 7,0, in der Wachstum erfolgt. Die Optimaltemperatur beträgt etwa 37 °C mit einem Toleranzbereich von 30 bis 40 °C. Unter diesen Optimalbedingungen hat der Stamm ATCC 49587T (T steht für Typus) eine Teilungsrate von 0,26 Teilungen pro Stunde (Generationszeit von 3,85 h) auf einem Fructosemedium oder einem Medium mit Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid, die Anzahl der Bakterien verdoppelt sich also etwa alle vier Stunden.

Der reduktive Acetyl-CoA-Weg in Bakterien zur Kohlenstoffdioxid-Assimilation

Clostridium ljungdahlii ist ein homoacetogenes Bakterium und in der Lage, auf unterschiedlichen kohlenstoffhaltigen Substraten zu wachsen. Diese umfassen Ethanol, Pyruvat, Arabinose, Xylose, Fructose und Glucose sowie Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxid gemeinsam mit Wasserstoff (gasförmig in Flüssigmedium). Methanol, Ferulasäure, Milchsäure, Galactose, Mannose, Saccharose und Stärke führen dagegen nicht zu einer Wachstumsförderung.

Die Aufnahme von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid in Gegenwart von Wasserstoff und ihre Umsetzung zu Ethanol und Essigsäure über Acetyl-CoA erfolgt über den reduktiven Acetyl-CoA-Weg. Dieser ist nach seinen Hauptentdeckern Harland G. Wood und Lars G. Ljungdahl auch als „Wood-Ljungdahl-Weg“ bekannt. Neben Kohlenstoff ist dabei die Gabe von Vitaminen sowie von Proteinen (z. B. als Hefeextrakt) als Stickstoffquelle notwendig. Die Bakterien produzieren während ihrer Wachstumsphase vor allem Essigsäure, wohingegen Ethanol überwiegend während der stationären Phase gebildet wird. Daneben ist das Hauptprodukt abhängig vom pH-Wert des Substrats: Während die Bakterien bei höheren pH-Werten zwischen 5 und 7 vor allem Essigsäure bilden, produzieren sie bei niedrigeren pH-Werten zwischen 4 und 4,5 vor allem Ethanol.

Die biochemische Umsetzung von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid erfolgt dabei entsprechend den folgenden Reaktionsgleichungen:

Bei einem Wasserstoff/Kohlenstoffdioxid-Gemisch werden durch Clostridium ljungdahlii 4 mmol Wasserstoff und 2 mmol Kohlenstoffdioxid in 1 mmol Essigsäure umgesetzt, während bei einem Fructose-Medium eine Umsetzung von 1 mmol Fructose in durchschnittlich 2,44 mmol Essigsäure erfolgt. Die Umsetzung ähnelt derjenigen von anderen acetogenen Bakterien. Beispielsweise setzt Acetobacterium carbinolicum ein Molekül Fructose in 2,1 bis 2,3 Moleküle Essigsäure um, Acetobacterium woodi in 2,2 bis 2,8; bei Clostridium thermoaceticum erfolgt eine Umsetzung von einem Molekül Glucose in durchschnittlich 2,55 und bei Clostridium thermoautotrophicum in 2,5 Moleküle Essigsäure. Kulturen zur Herstellung von Ethanol aus Synthesegas produzieren in der Regel bis etwa 2 mmol Ethanol aus 1 mmol Fructose. Über den pH-Wert lässt sich allerdings das Wachstum der Bakterien und die Produktionsrate für Ethanol steuern – so konnte nachgewiesen werden, dass bei einem pH von 7,8 im Vergleich zu pH 5,5 die Zelldichte um etwa das 1,5fache erhöht ist und sich zugleich die im Medium enthaltene Ethanolmenge um etwa 110 % erhöht.

Genetik Bearbeiten

Das Genom des Bakteriums wurde 2010 als zweites Genom eines acetogenen Bakteriums nach Moorella thermoacetica vollständig sequenziert. Es weist 4.630.065 bp auf und gehört damit zu den größten der bekannten Genome innerhalb der Clostridien. 25,2 % der 4.184 identifizierten Gene besitzen keine bekannte Funktion. Bemerkenswerterweise liegen mehr als 3/4 der codierenden Sequenzen auf einem Strang der Doppelhelix. Zu den identifizierten Genen gehören die Gene für die Biosynthese der Flagellen, die in zwei Clustern angelegt sind, sowie ein benachbarter Gencluster für die Chemotaxis der Bakterien. Des Weiteren wurde das Gen spo0A nachgewiesen, welches das gleichnamige, für die Sporenbildung notwendige Regulationsprotein Spo0A codiert. Zudem konnten die Gene der für die Sporulation typischen Sigma-Faktoren nachgewiesen werden, während die Gene spo0F und spo0B wie bei allen sequenzierten Clostridien fehlen.

Die Arbeit von Köpke und Mitarbeitern konzentrierte sich vor allem auf die codierenden Sequenzen, die für die Stoffwechseleigenschaften des Bakteriums interessant sind. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass Clostridium ljungdahlii über ein spezifisches Rnf-System verfügt. Es weist damit einen gegenüber anderen bekannten acetogenen Bakterien modifizierten Stoffwechsel auf, der für die Energiebereitstellung weder ein Cytochrom-System noch Natriumionen benötigt.

Ökologie Bearbeiten

Über die Ökologie von Clostridium ljungdahlii liegen nur sehr wenige Daten vor, da das Bakterium nach seiner Isolierung ausschließlich unter Laborbedingungen untersucht wurde. Es lebt obligat anaerob, somit benötigt es zur Bildung von Fortpflanzungszellen ein sauerstofffreies Substrat. Unter aeroben Bedingungen bildet es nach wenigen Stunden Endosporen, die mehrere Jahre als Überdauerungsstadien auch in sauerstoffreichen Substraten überleben und unter anaeroben Bedingungen wieder zu vegetativen Bakterien werden.

Der Stamm ATCC 49587T, der zur Erstbeschreibung genutzt wurde, wurde im Abfall eines Hühnerzuchtbetriebs isoliert.

Systematik Bearbeiten

Die wissenschaftliche Erstbeschreibung von Clostridium ljungdahlii erfolgte 1993 durch die Arbeitsgruppe um Ralph S. Tanner von der University of Oklahoma. Namensgebend ist Lars G. Ljungdahl, der zentrale Arbeiten zur Aufklärung des Stoffwechsels acetogener Bakterien sowie der Clostridien im Allgemeinen veröffentlicht hat und gemeinsam mit Harland G. Woods auch Namensgeber des Woods-Ljungdahl-Stoffwechselweges ist.

Clostridium ljungdahlii wird taxonomisch der mit über 160 beschriebenen Arten sehr artenreichen Gattung der Clostridien zugeordnet. Dabei stellt die Gruppe der Clostridien eine sehr diverse Gruppe dar, deren phylogenetische Klassifizierung und eventuelle Aufspaltung in mehrere Gattungen in stetiger Diskussion ist. Die Unterscheidung der Arten innerhalb der Gattung beruht vor allem auf der molekularbiologischen Analyse der 23S rRNA, nach der die Gattung in 12 Homologie-Gruppen aufgeteilt wird. Clostridium ljungdahlii stellt dabei das erste bekannte acetogene Bakterium in der Homologie-Gruppe I dar. Es besteht eine enge Verwandtschaft mit Clostridium tyrobutyricum, einem Essig- und Buttersäure produzierenden Bakterium, und Clostridium pasteurianum, die durch einen Vergleich der Sequenz 16S rRNA nachgewiesen wurde. Das ebenfalls als eigene Art beschriebene Clostridium autoethanogenum ist wahrscheinlich ein Synonym von Clostridium ljungdahlii, da es von diesem nicht unterscheidbar ist.

Technische Bedeutung und Forschungsgeschichte Bearbeiten

Das Bakterium wurde von Suhakar Barik von der University of Arkansas aufgrund seiner physiologischen Eigenschaften isoliert. Er suchte gezielt nach Bakterien, die in der Lage sind, Synthesegas aus der Kohlevergasung für die Produktion potenziell interessanter Produkte zu nutzen. Gemeinsam mit J. L. Gaddy, ebenfalls an der University of Arkansas, und weiteren Forschern konnte Barik bereits 1988 die Ethanolproduktion durch die von ihm isolierte und der Gattung Clostridium zugeordnete Bakterienkultur nachweisen. Ralph S. Tanner und D. Yang stellten die neue Art 1990 anhand Bariks Kultur als Clostridium ljungdahlii PETCT in einer Präsentation und einem Abstract auf der 90. Jahrestagung der American Society for Microbiology in Washington D.C. erstmals wissenschaftlich vor. Die offizielle Erstbeschreibung erfolgte durch Tanner und Mitarbeitern erst 1993 als Clostridium ljungdahlii Stamm ATCC 49587T. Unter dieser Bezeichnung wurde die Kultur in die American Type Culture Collection aufgenommen. Bereits 1992 patentierte Gaddy die technische Ethanol- und Essigsäureproduktion mit der Bakterienkultur. In den Folgejahren wurden mit den Stämmen DSM 13528 und PETC weitere Stämme isoliert und kultiviert. 2010 wurde das Genom des Stamms DSM 13528 sequenziert.

Insbesondere aufgrund der potenziellen Nutzung von Wasserstoff/Kohlenstoffmonoxid (Synthesegas-Fermentation) und Wasserstoff/Kohlenstoffdioxid als Wachstumssubstrat besteht ein sehr großes wirtschaftliches Interesse an dem Bakterium für die Nutzung im Bereich der Industriellen Biotechnologie. Es soll zur Herstellung von Ethanol, Butanol und Essigsäure genutzt werden, wobei eine Nutzung zur Butanolherstellung erst durch eine Genübertragung der für die Butanolherstellung wichtigen Gene von Clostridium acetobutylicum ermöglicht wurde. Es handelt sich hierbei um die Gene bcd für eine Butyryl-CoA-Dehydrogenase, hbd für eine 3-Hydroxybutyryl-CoA-Dehydrogenase, thlA für eine Thiolase, bdha für eine Butanol-Dehydrogenase und adhE für eine Butyraldehyd-/Butanol-Dehydrogenase. Nach dem Einbau des artfremden Plasmids mit Hilfe einer Elektroporation konnte bei dem neu entwickelten Stamm eine Butanolproduktion auf der Basis von Synthesegas festgestellt werden, die in weiteren Schritten optimiert werden soll. Eine weitere Möglichkeit der gentechnischen Veränderung von C. ljungdahlii ist die Einbringung von Fremdgenen mittels einer Konjugation und deren genomische Integration mit Hilfe eines Transposase-Systems. Diese Methode soll die Einbringung von größeren Genclustern, die Erzeugung von stabileren Stämmen, sowie eine Steigerung der Produktivität ermöglichen.

Im Gegensatz zu anderen acetogenen Bakterien wird Clostridium ljungdahlii bereits technisch zur Ethanolproduktion genutzt, wobei die Synthesegas-Fermentation mit einer Biomassevergasung verbunden wird. Anlagen der Unternehmen INEOS Bio in Großbritannien, LanzaTech in Neuseeland und China sowie BriEnergy und Coskata in den Vereinigten Staaten stehen im Pilot- und Demonstrationsmaßstab zur Verfügung.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. ↑ Michael Köpke, Claudia Held, Sandra Hujer, Heiko Liesegang, Arnim Wiezer, Antje Wollherr, Armin Ehrenreich, Wolfgang Liebl, Gerhard Gottschalk, Peter Dürre: Clostridium ljungdahlii represents a microbial production platform based on syngas. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Band 107, Nr. 29, 2010, ISSN 1091-6490, S. 13087–13092, doi:10.1073/pnas.1004716107, PMID 20616070.
  2. ↑ Ralph S. Tanner, Letrisa M. Miller, Decheng Yang: Clostridium ljungdahlii sp. nov., an Acetogenic Species in Clostridial rRNA Homology Group I. In: International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology,. Band 43, Nr. 2, 1993, ISSN 1466-5026, S. 232–236, doi:10.1099/00207713-43-2-232.
  3. ↑ Patent US5173429: Clostridium ljungdahlii, an anaerobic ethanol and acetate producing microorganism. Veröffentlicht am 22. Dezember 1992, Erfinder: J.L. Gaddy, E.C. Clausen.‌
  4. L. G. Ljungdahl: The autotrophic pathway of acetate synthesis in acetogenic bacteria. In: Annual Review of Microbiology. Band 40, 1986, ISSN 0066-4227, S. 415–450, doi:10.1146/annurev.mi.40.100186.002215, PMID 3096193.
  5. Harland G. Wood, Steve W. Ragsdale, Ewa Pezacka: The acetyl-CoA pathway of autotrophic growth. In: FEMS Microbiology Letters. Band 39, Nr. 4, 1986, ISSN 0378-1097, S. 345–362, doi:10.1111/j.1574-6968.1986.tb01865.x.
  6. Asma Ahmed, Allyson White, Peng Hu, Randy Lewis, Raymond Huhnke: (Memento vom 26. Juni 2010 im Internet Archive) SynGrant BioWeb, 2008.
  7. Pradeep Chaminda Munasinghe, Samir Kumar Khanal: Biomass-derived syngas fermentation into biofuels: Opportunities and challenges. In: Bioresource Technology. Band 101, Nr. 13, 2010, ISSN 1873-2976, S. 5013–5022, doi:10.1016/j.biortech.2009.12.098, PMID 20096574.
  8. Jacqueline L. Cotter, Mari S. Chinn, Amy M. Grunden: Influence of process parameters on growth of Clostridium ljungdahlii and Clostridium autoethanogenum on synthesis gas. In: Enzyme and Microbial Technology. Band 44, Nr. 5, 2009, ISSN 0141-0229, S. 281–288, doi:10.1016/j.enzmictec.2008.11.002.
  9. M. D. Collins, P. A. Lawson, A. Willems, J. J. Cordoba, J. Fernandez-Garayzabal, P. Garcia, J. Cai, H. Hippe, J. A. E. Farrow: The Phylogeny of the Genus Clostridium: Proposal of Five New Genera and Eleven New Species Combinations. In: International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology,. Band 44, Nr. 4, 1994, ISSN 1466-5026, S. 812–826, doi:10.1099/00207713-44-4-812.
  10. ↑ E. Stackebrandt, I. Kramer, J. Swiderski, H. Hippe: Phylogenetic basis for a taxonomic dissection of the genus Clostridium. In: FEMS immunology and medical microbiology. Band 24, Nr. 3, 1999, ISSN 0928-8244, S. 253–258, doi:10.1111/j.1574-695X.1999.tb01291.x, PMID 10397308.
  11. S. Barik, S. Prieto, S. B. Harrison, E. C. Clausen, J. L. Gaddy: Biological production of alcohols from coal through indirect liquefaction. In: Applied Biochemistry and Biotechnology. Band 18, Nr. 1, 1988, ISSN 1559-0291, S. 363–378, doi:10.1007/BF02930840.
  12. Ralph S. Tanner, Letrisa M. Miller, Decheng Yang: Clostridium ljungdahlii sp. nov., an Acetogenic Species in Clostridial rRNA Homology Group I. In: International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology,. Band 43, Nr. 2, 1993, ISSN 1466-5026, S. 232–236, doi:10.1099/00207713-43-2-232.
  13. UniProt.: "Clostridium ljungdahlii", aufgerufen am 1. März 2011.
  14. ↑ Michael Köpke: Genetische Veränderung von Clostridium ljungdahlii zur Produktion von 1-Butanol aus Synthesegas. Dissertation der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Ulm, 2009. (Volltext; PDF; 10,0 MB)
  15. ↑ Michael Köpke, Sandra Hujer, Peter Dürre: Klimaschutz durch innovative Biotechnologie. Laborwelt 6/2009.
  16. Gabriele Philipps, Sebastian de Vries, Stefan Jennewein: Development of a metabolic pathway transfer and genomic integration system for the syngas-fermenting bacterium Clostridium ljungdahlii. In: Biotechnology for Biofuels. Band 12, Nr. 1, Dezember 2019, ISSN 1754-6834, S. 112, doi:10.1186/s13068-019-1448-1, PMID 31086564, PMC 6507227 (freier Volltext) – (biomedcentral.com [abgerufen am 12. Mai 2022]).

Weblinks Bearbeiten

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Clostridium ljungdahlii ist eine Bakterienart aus der Gattung der Clostridien Sie lebt in sauerstofffreien Substraten und wurde 1988 erstmals aus dem Abfall eines Huhnerzuchtbetriebs isoliert Unter ungunstigen Lebensbedingungen bildet sie nach wenigen Stunden Endosporen die mehrere Jahre als Uberdauerungsstadien uberleben und unter anaeroben Bedingungen wieder zu vegetativen Bakterien werden Clostridium ljungdahliiClostridium ljungdahlii unter verschiedenen Wachstumsbedingungen die Massstabsleiste betragt 500 nm SystematikAbteilung FirmicutesKlasse ClostridiaOrdnung ClostridialesFamilie ClostridiaceaeGattung ClostridiumArt Clostridium ljungdahliiWissenschaftlicher NameClostridium ljungdahliiTanner et al 1993Samtliche Informationen uber das Bakterium entstammen der Untersuchung von Laborkulturen Beobachtungen aus den Ursprungssubstraten liegen nicht vor Aufgrund seiner Fahigkeit fermentativ Ethanol und Essigsaure auf der Basis von Synthesegas herzustellen Synthesegas Fermentation hat es eine potenzielle Bedeutung fur die industrielle Biotechnologie wobei bereits Produktionsanlagen im Pilotmassstab existieren Im Jahr 2010 wurde zum besseren Verstandnis des Stoffwechsels und zur Optimierung des Bakteriums als Produktionsorganismus das Genom von Clostridium ljungdahlii sequenziert und publiziert 1 Inhaltsverzeichnis 1 Merkmale 1 1 Morphologie 1 2 Stoffwechsel 1 3 Genetik 2 Okologie 3 Systematik 4 Technische Bedeutung und Forschungsgeschichte 5 Einzelnachweise 6 WeblinksMerkmale BearbeitenInnerhalb der Bakterien und insbesondere auch innerhalb der Clostridien werden die Arten vor allem aufgrund ihrer Stoffwechseleigenschaften und molekularbiologischer Merkmale unterschieden wahrend morphologische Merkmale nur begrenzt fur die Bestimmung einzelner Arten nutzbar sind Morphologie Bearbeiten Clostridium ljungdahlii ist ein stabchenformiges motiles grampositives Bakterium Die Breite der Bakterienzelle betragt 0 6 mm bei einer Lange von 2 bis 3 mm Die Zelloberflache ist von einer 0 1 bis 0 2 mm dicken Zellumhullung umgeben Wie andere Clostridien kann sich auch dieses mit den auf der gesamten Bakterienoberflache gleichmassig angeordneten Geisseln peritrich aktiv bewegen und bildet keine Zellkolonien An den beiden Zellpolen terminal und subterminal kann das Bakterium Endosporen bilden 2 3 Stoffwechsel Bearbeiten Clostridium ljungdahlii lebt unter anoxischen anaeroben Bedingungen also in einer Umgebung ohne Sauerstoff Das pH Optimum fur das Wachstum des Bakteriums liegt im leicht sauren Bereich von 6 0 mit einem Toleranzbereich zwischen 4 0 und 7 0 in der Wachstum erfolgt Die Optimaltemperatur betragt etwa 37 C mit einem Toleranzbereich von 30 bis 40 C Unter diesen Optimalbedingungen hat der Stamm ATCC 49587T T steht fur Typus eine Teilungsrate von 0 26 Teilungen pro Stunde Generationszeit von 3 85 h auf einem Fructosemedium oder einem Medium mit Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid die Anzahl der Bakterien verdoppelt sich also etwa alle vier Stunden 2 nbsp Der reduktive Acetyl CoA Weg in Bakterien zur Kohlenstoffdioxid AssimilationClostridium ljungdahlii ist ein homoacetogenes Bakterium und in der Lage auf unterschiedlichen kohlenstoffhaltigen Substraten zu wachsen Diese umfassen Ethanol Pyruvat Arabinose Xylose Fructose und Glucose sowie Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxid gemeinsam mit Wasserstoff gasformig in Flussigmedium Methanol Ferulasaure Milchsaure Galactose Mannose Saccharose und Starke fuhren dagegen nicht zu einer Wachstumsforderung 2 Die Aufnahme von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid in Gegenwart von Wasserstoff und ihre Umsetzung zu Ethanol und Essigsaure uber Acetyl CoA erfolgt uber den reduktiven Acetyl CoA Weg Dieser ist nach seinen Hauptentdeckern Harland G Wood und Lars G Ljungdahl auch als Wood Ljungdahl Weg bekannt 4 5 Neben Kohlenstoff ist dabei die Gabe von Vitaminen sowie von Proteinen z B als Hefeextrakt als Stickstoffquelle notwendig 2 Die Bakterien produzieren wahrend ihrer Wachstumsphase vor allem Essigsaure wohingegen Ethanol uberwiegend wahrend der stationaren Phase gebildet wird Daneben ist das Hauptprodukt abhangig vom pH Wert des Substrats Wahrend die Bakterien bei hoheren pH Werten zwischen 5 und 7 vor allem Essigsaure bilden produzieren sie bei niedrigeren pH Werten zwischen 4 und 4 5 vor allem Ethanol 6 3 Die biochemische Umsetzung von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid erfolgt dabei entsprechend den folgenden Reaktionsgleichungen 7 Fur Ethanol 1 6 C O 3 H 2 O C 2 H 5 O H 4 C O 2 D H 217 9 k J m o l displaystyle 1 6 mathrm CO 3 mathrm H 2 mathrm O longrightarrow mathrm C 2 mathrm H 5 mathrm OH 4 mathrm CO 2 Delta H 217 9 mathrm kJ mathrm mol nbsp 2 2 C O 2 6 H 2 C 2 H 5 O H 3 H 2 O D H 97 3 k J m o l displaystyle 2 2 mathrm CO 2 6 mathrm H 2 longrightarrow mathrm C 2 mathrm H 5 mathrm OH 3 mathrm H 2 mathrm O Delta H 97 3 mathrm kJ mathrm mol nbsp Fur Essigsaure 3 4 C O 2 H 2 O C H 3 C O O H 2 C O 2 D H 154 9 k J m o l displaystyle 3 4 mathrm CO 2 mathrm H 2 mathrm O longrightarrow mathrm CH 3 mathrm COOH 2 mathrm CO 2 Delta H 154 9 mathrm kJ mathrm mol nbsp 4 2 C O 2 4 H 2 C H 3 C O O H 2 H 2 O D H 75 3 k J m o l displaystyle 4 2 mathrm CO 2 4 mathrm H 2 longrightarrow mathrm CH 3 mathrm COOH 2 mathrm H 2 mathrm O Delta H 75 3 mathrm kJ mathrm mol nbsp Bei einem Wasserstoff Kohlenstoffdioxid Gemisch werden durch Clostridium ljungdahlii 4 mmol Wasserstoff und 2 mmol Kohlenstoffdioxid in 1 mmol Essigsaure umgesetzt wahrend bei einem Fructose Medium eine Umsetzung von 1 mmol Fructose in durchschnittlich 2 44 mmol Essigsaure erfolgt Die Umsetzung ahnelt derjenigen von anderen acetogenen Bakterien Beispielsweise setzt Acetobacterium carbinolicum ein Molekul Fructose in 2 1 bis 2 3 Molekule Essigsaure um Acetobacterium woodi in 2 2 bis 2 8 bei Clostridium thermoaceticum erfolgt eine Umsetzung von einem Molekul Glucose in durchschnittlich 2 55 und bei Clostridium thermoautotrophicum in 2 5 Molekule Essigsaure 2 Kulturen zur Herstellung von Ethanol aus Synthesegas produzieren in der Regel bis etwa 2 mmol Ethanol aus 1 mmol Fructose 2 Uber den pH Wert lasst sich allerdings das Wachstum der Bakterien und die Produktionsrate fur Ethanol steuern so konnte nachgewiesen werden dass bei einem pH von 7 8 im Vergleich zu pH 5 5 die Zelldichte um etwa das 1 5fache erhoht ist und sich zugleich die im Medium enthaltene Ethanolmenge um etwa 110 erhoht 8 Genetik Bearbeiten Das Genom des Bakteriums wurde 2010 als zweites Genom eines acetogenen Bakteriums nach Moorella thermoacetica vollstandig sequenziert Es weist 4 630 065 bp auf und gehort damit zu den grossten der bekannten Genome innerhalb der Clostridien 25 2 der 4 184 identifizierten Gene besitzen keine bekannte Funktion Bemerkenswerterweise liegen mehr als 3 4 der codierenden Sequenzen auf einem Strang der Doppelhelix Zu den identifizierten Genen gehoren die Gene fur die Biosynthese der Flagellen die in zwei Clustern angelegt sind sowie ein benachbarter Gencluster fur die Chemotaxis der Bakterien Des Weiteren wurde das Gen spo0A nachgewiesen welches das gleichnamige fur die Sporenbildung notwendige Regulationsprotein Spo0A codiert Zudem konnten die Gene der fur die Sporulation typischen Sigma Faktoren nachgewiesen werden wahrend die Gene spo0F und spo0B wie bei allen sequenzierten Clostridien fehlen 1 Die Arbeit von Kopke und Mitarbeitern konzentrierte sich vor allem auf die codierenden Sequenzen die fur die Stoffwechseleigenschaften des Bakteriums interessant sind Dabei konnte nachgewiesen werden dass Clostridium ljungdahlii uber ein spezifisches Rnf System verfugt Es weist damit einen gegenuber anderen bekannten acetogenen Bakterien modifizierten Stoffwechsel auf der fur die Energiebereitstellung weder ein Cytochrom System noch Natriumionen benotigt 1 Okologie BearbeitenUber die Okologie von Clostridium ljungdahlii liegen nur sehr wenige Daten vor da das Bakterium nach seiner Isolierung ausschliesslich unter Laborbedingungen untersucht wurde Es lebt obligat anaerob somit benotigt es zur Bildung von Fortpflanzungszellen ein sauerstofffreies Substrat Unter aeroben Bedingungen bildet es nach wenigen Stunden Endosporen die mehrere Jahre als Uberdauerungsstadien auch in sauerstoffreichen Substraten uberleben und unter anaeroben Bedingungen wieder zu vegetativen Bakterien werden Der Stamm ATCC 49587T der zur Erstbeschreibung genutzt wurde wurde im Abfall eines Huhnerzuchtbetriebs isoliert 2 Systematik BearbeitenDie wissenschaftliche Erstbeschreibung von Clostridium ljungdahlii erfolgte 1993 durch die Arbeitsgruppe um Ralph S Tanner von der University of Oklahoma 2 Namensgebend ist Lars G Ljungdahl der zentrale Arbeiten zur Aufklarung des Stoffwechsels acetogener Bakterien sowie der Clostridien im Allgemeinen veroffentlicht hat und gemeinsam mit Harland G Woods auch Namensgeber des Woods Ljungdahl Stoffwechselweges ist Clostridium ljungdahlii wird taxonomisch der mit uber 160 beschriebenen Arten sehr artenreichen Gattung der Clostridien zugeordnet Dabei stellt die Gruppe der Clostridien eine sehr diverse Gruppe dar deren phylogenetische Klassifizierung und eventuelle Aufspaltung in mehrere Gattungen in stetiger Diskussion ist 9 10 Die Unterscheidung der Arten innerhalb der Gattung beruht vor allem auf der molekularbiologischen Analyse der 23S rRNA nach der die Gattung in 12 Homologie Gruppen aufgeteilt wird Clostridium ljungdahlii stellt dabei das erste bekannte acetogene Bakterium in der Homologie Gruppe I dar 2 Es besteht eine enge Verwandtschaft mit Clostridium tyrobutyricum einem Essig und Buttersaure produzierenden Bakterium und Clostridium pasteurianum die durch einen Vergleich der Sequenz 16S rRNA nachgewiesen wurde 2 Das ebenfalls als eigene Art beschriebene Clostridium autoethanogenum ist wahrscheinlich ein Synonym von Clostridium ljungdahlii da es von diesem nicht unterscheidbar ist 10 Technische Bedeutung und Forschungsgeschichte BearbeitenDas Bakterium wurde von Suhakar Barik von der University of Arkansas aufgrund seiner physiologischen Eigenschaften isoliert Er suchte gezielt nach Bakterien die in der Lage sind Synthesegas aus der Kohlevergasung fur die Produktion potenziell interessanter Produkte zu nutzen 2 Gemeinsam mit J L Gaddy ebenfalls an der University of Arkansas und weiteren Forschern konnte Barik bereits 1988 die Ethanolproduktion durch die von ihm isolierte und der Gattung Clostridium zugeordnete Bakterienkultur nachweisen 11 Ralph S Tanner und D Yang stellten die neue Art 1990 anhand Bariks Kultur als Clostridium ljungdahlii PETCT in einer Prasentation und einem Abstract auf der 90 Jahrestagung der American Society for Microbiology in Washington D C erstmals wissenschaftlich vor 12 Die offizielle Erstbeschreibung erfolgte durch Tanner und Mitarbeitern erst 1993 als Clostridium ljungdahlii Stamm ATCC 49587T Unter dieser Bezeichnung wurde die Kultur in die American Type Culture Collection aufgenommen 2 Bereits 1992 patentierte Gaddy die technische Ethanol und Essigsaureproduktion mit der Bakterienkultur 3 In den Folgejahren wurden mit den Stammen DSM 13528 und PETC weitere Stamme isoliert und kultiviert 13 2010 wurde das Genom des Stamms DSM 13528 sequenziert 1 Insbesondere aufgrund der potenziellen Nutzung von Wasserstoff Kohlenstoffmonoxid Synthesegas Fermentation und Wasserstoff Kohlenstoffdioxid als Wachstumssubstrat besteht ein sehr grosses wirtschaftliches Interesse an dem Bakterium fur die Nutzung im Bereich der Industriellen Biotechnologie Es soll zur Herstellung von Ethanol Butanol und Essigsaure genutzt werden 1 wobei eine Nutzung zur Butanolherstellung erst durch eine Genubertragung der fur die Butanolherstellung wichtigen Gene von Clostridium acetobutylicum ermoglicht wurde 14 15 Es handelt sich hierbei um die Gene bcd fur eine Butyryl CoA Dehydrogenase hbd fur eine 3 Hydroxybutyryl CoA Dehydrogenase thlA fur eine Thiolase bdha fur eine Butanol Dehydrogenase und adhE fur eine Butyraldehyd Butanol Dehydrogenase 14 15 Nach dem Einbau des artfremden Plasmids mit Hilfe einer Elektroporation konnte bei dem neu entwickelten Stamm eine Butanolproduktion auf der Basis von Synthesegas festgestellt werden die in weiteren Schritten optimiert werden soll 15 Eine weitere Moglichkeit der gentechnischen Veranderung von C ljungdahlii ist die Einbringung von Fremdgenen mittels einer Konjugation und deren genomische Integration mit Hilfe eines Transposase Systems 16 Diese Methode soll die Einbringung von grosseren Genclustern die Erzeugung von stabileren Stammen sowie eine Steigerung der Produktivitat ermoglichen Im Gegensatz zu anderen acetogenen Bakterien wird Clostridium ljungdahlii bereits technisch zur Ethanolproduktion genutzt wobei die Synthesegas Fermentation mit einer Biomassevergasung verbunden wird Anlagen der Unternehmen INEOS Bio in Grossbritannien LanzaTech in Neuseeland und China sowie BriEnergy und Coskata in den Vereinigten Staaten stehen im Pilot und Demonstrationsmassstab zur Verfugung Einzelnachweise Bearbeiten a b c d e Michael Kopke Claudia Held Sandra Hujer Heiko Liesegang Arnim Wiezer Antje Wollherr Armin Ehrenreich Wolfgang Liebl Gerhard Gottschalk Peter Durre Clostridium ljungdahlii represents a microbial production platform based on syngas In Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Band 107 Nr 29 2010 ISSN 1091 6490 S 13087 13092 doi 10 1073 pnas 1004716107 PMID 20616070 a b c d e f g h i j k l Ralph S Tanner Letrisa M Miller Decheng Yang Clostridium ljungdahlii sp nov an Acetogenic Species in Clostridial rRNA Homology Group I In International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology Band 43 Nr 2 1993 ISSN 1466 5026 S 232 236 doi 10 1099 00207713 43 2 232 a b c Patent US5173429 Clostridium ljungdahlii an anaerobic ethanol and acetate producing microorganism Veroffentlicht am 22 Dezember 1992 Erfinder J L Gaddy E C Clausen L G Ljungdahl The autotrophic pathway of acetate synthesis in acetogenic bacteria In Annual Review of Microbiology Band 40 1986 ISSN 0066 4227 S 415 450 doi 10 1146 annurev mi 40 100186 002215 PMID 3096193 Harland G Wood Steve W Ragsdale Ewa Pezacka The acetyl CoA pathway of autotrophic growth In FEMS Microbiology Letters Band 39 Nr 4 1986 ISSN 0378 1097 S 345 362 doi 10 1111 j 1574 6968 1986 tb01865 x Asma Ahmed Allyson White Peng Hu Randy Lewis Raymond Huhnke Ethanol from Syngas Microbial Conversion Memento vom 26 Juni 2010 imInternet Archive SynGrant BioWeb 2008 Pradeep Chaminda Munasinghe Samir Kumar Khanal Biomass derived syngas fermentation into biofuels Opportunities and challenges In Bioresource Technology Band 101 Nr 13 2010 ISSN 1873 2976 S 5013 5022 doi 10 1016 j biortech 2009 12 098 PMID 20096574 Jacqueline L Cotter Mari S Chinn Amy M Grunden Influence of process parameters on growth of Clostridium ljungdahlii and Clostridium autoethanogenum on synthesis gas In Enzyme and Microbial Technology Band 44 Nr 5 2009 ISSN 0141 0229 S 281 288 doi 10 1016 j enzmictec 2008 11 002 M D Collins P A Lawson A Willems J J Cordoba J Fernandez Garayzabal P Garcia J Cai H Hippe J A E Farrow The Phylogeny of the Genus Clostridium Proposal of Five New Genera and Eleven New Species Combinations In International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology Band 44 Nr 4 1994 ISSN 1466 5026 S 812 826 doi 10 1099 00207713 44 4 812 a b E Stackebrandt I Kramer J Swiderski H Hippe Phylogenetic basis for a taxonomic dissection of the genus Clostridium In FEMS immunology and medical microbiology Band 24 Nr 3 1999 ISSN 0928 8244 S 253 258 doi 10 1111 j 1574 695X 1999 tb01291 x PMID 10397308 S Barik S Prieto S B Harrison E C Clausen J L Gaddy Biological production of alcohols from coal through indirect liquefaction In Applied Biochemistry and Biotechnology Band 18 Nr 1 1988 ISSN 1559 0291 S 363 378 doi 10 1007 BF02930840 Ralph S Tanner Letrisa M Miller Decheng Yang Clostridium ljungdahlii sp nov an Acetogenic Species in Clostridial rRNA Homology Group I In International Journal of Systematic and Evolutionary 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ljungdahlii DSM 13528 complete genome auf der Website des National Center for Biotechnology Information NCBI Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen Clostridium ljungdahlii DSM 13528 Chao Wu Jonathan Lo Chris Urban Xiang Gao Bin Yang Jonathan Humphreys Shrameeta Shinde Xin Wang Katherine J Chou PinChing Maness Nicolas Tsesmetzis David Parker Wei Xiong Acetyl CoA synthesis through a bicyclic carbon fixing pathway in gas fermenting bacteria In Nature Synthesis Band 1 23 Juni 2022 S 615 625 doi 10 1038 s44160 022 00095 4 Dazu Not Just Bread and Beer Microbes Can Ferment Carbon Dioxide To Make Fuel Auf SciTechDaily vom 6 August 2022 Quelle National Renewable Energy Laboratory nbsp Dieser Artikel wurde am 17 Mai 2011 in dieser Version in die Liste der lesenswerten Artikel aufgenommen Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Clostridium ljungdahlii amp oldid 236504255