Frankia, topraktaki serbest yaşayan mikroplar ve aktinorizal bitkilerle simbiyotik ilişkilere sahip filamentli nitrojen bağlayıcı Gram-pozitif aktinobakterilerdir. Bu bakteriler, atmosferik N2’yi biyolojik olarak yararlı amonyağa ve düşük nitrojen kaynağı olan bir konak bitki kaynağına dönüştürerek nitrojeni sabitler. Frankia gelişimsel olarak karmaşıktır, ayrıca vejetatif hifa, sporangia’da bulunan sporlar ve veziküller olarak üç hücre tipi oluşturur. Hifalar, ayrı yapılardır ve bu mikrobun büyüme halini oluştururlar ve uygun koşullar altında, terminal veya interkalar multiloküler sporangia üretilir. Ayrıca birçok spor içerir ve olgunlaştığında sporangiadan sporlar salınırken, sporların hayatta kalmasına ve dağılmasına yardımcı olduğu varsayılmaktadır. 
Vesiküller, nitrojenle sınırlı koşullar altında üretilir ve nitrojen fiksasyonundan sorumlu enzimleri içeren benzersiz lipid-zarflı hücresel yapılardan oluşur. Böylelikle veziküller, nitrojen fiksasyon işlemi için özel yapılar olarak işlev görür. Frankia sekiz anjiyo sperm familyasında bulunan 220’den fazla odunsu dikotiledon bitki türü ile simbiyotik nitrojen sabitleyici ilişkiler kurabilirler. Frankia bu aktinorizal ev sahibi bitkilerin besin açısından fakir toprağı ve zorlu ortamları kolonileştirmesine izin verir. Aktinorizal bitkiler, ağır metaller ve toksik aromatik hidrokarbonla kirlenmiş endüstriyel arazileri ve ortamları yeniden kolonize etmek ve geri kazanmak için kullanılmıştır. Bu bakterilerin metabolik potansiyeli ancak biyoremediasyon bağlamında araştırılmıştır.
Frankia Genomik ve Metabolik Potansiyelin Belirlenmesi
Filo genetik analize dayalı olarak, frankia suşları dört ana soy olarak sınıflandırılmıştır ve bunlar aşağıdaki gibidir:
• Birinci soyun üyeleri, betulaceae’nin konukçu bitkilerinde enfektif bulunur. Myricaceae ve Casuari araceae familyalarıdır,
• İkinci soy ise rosaceae (gül), coriaria, datisca ve cehrigillerdir,
• Üçüncü soyun üyeleri en çok rastlananlardır ve eleagnaceae (iğdegiller), rhamnaceae (cehrigiller), myricaceaede bulaşıcıdırlar, ayrıca nadir olarak da gynmmostoma ve alnus (adi kızılağaç) vardır,
• Dördüncü soy frankia soy, aktinorizal konakçı bitkileri yeniden enfekte edemeyen veya nitrojeni sabitleyemeyen etkisiz kök nodülü yapıları oluşturamayan atipik suşlardan oluşur. Bu cinsin çeşitli türlerin sıralanmasıyla büyük ölçüde geliştirilmiştir.
Frankia farklı genomlar soy analizi doğrultusunda frankia genomlar, aktinorizal simbiyozun kozmopolit doğasına yardımcı olabilecek metabolik çeşitlilik, doğal ürün biyosentezi ve stres toleransı açısından yeni bir potansiyel ortaya çıkarmıştır.
Rhizodegradasyon
Biyoremediasyon potansiyeli olan bakteriler arasında, frankia bu bakterilerin aktinorizal bitkilerle simbiyoz oluşturması bakımından benzersizdir. Biyoremediasyon çabaları için bu özelliğin etkileri daha yeni keşfedilmiştir. En kapsamlı olarak incelenen sistem, frankia ve alnus bağlantısıdır. Serbest yaşamın çeşitli toplulukları frankia poliaromatik hidrokarbon (PAH) kirliliğine sahip topraklarda suşlar mevcuttur. Bunlar suşlar kızılağaçlarla kolayca ortak yaşam oluştururlar ve bu da zorlu ortamlarda büyük ölçüde artmış kızılağaç kondisyonuyla sonuçlanır. Frankia ve kızılağaç simbiyozu, aynı zamanda, petrol ve kumları ıslah sahalarındaki temsili organik kirleticilerin mineralizasyonunu da arttırır. Bu özelliklerinden dolayı ıslah projelerinde daha fazla simbiyoz kullanılmıştır. Frankia ayrıca doğal bozulma topluluklarının bir parçası gibi görünmektedir. Özellikle, atık su arıtma topluluklarında en bol bulunan cinslerden biri olduğu bulunmuştur. Bu bulgulara dayanarak, bütünsel iyileştirme yaklaşımlarında yeterince kullanılmamış bir araç gibi görünmektedir.
Triazinlerin Bozulması
Triazinler, çift bağlarla birleştirilmiş karbon ve nitrojen atomlarına sahip heterosiklik altı üyeli bir halkadan oluşan bir herbisit sınıfıdır. Bu herbisitler, mısır, sorgum ve şeker kamışı yetiştiriciliğinde geniş yapraklı ve çimenli yabani otların kontrolü için yaygın olarak kullanılmıştır. Atrazin ve simazin, s-triazin ailesinin en yaygın üyeleridir. Atrazinin biyolojik bozunması karmaşık bir süreçtir ve toprak veya sudaki atrazinin doğasına ve miktarına bağlıdır. Degradasyonunda hidroliz, dealkilasyon, deaminasyon ve halka bölünmesi olarak dört ana adım vardır. Hidroliz aşaması için, bir amidohidrolaz enzimi (AtzA) karbon-klor (C-Cl) bağını keser ve böylece atrazini hidroksilatrazine deklorinleştirir. Bu ara ürün dealkillenir ve siyanürik asit üretmek için amidohidrolaz enzimleri, AtzB ve AtzC tarafından etil ve izopropil gruplarında deamine edilir. Ayrıca bu ürün, AtzD, AtzE ve AtzF enzimleri tarafından amonyak ve karbondioksite dönüştürülür.
S-triazin Yıkım Yolu Frankia
Frankia, atrazin degradasyonundaki ilk iki adım ve bunların gen ekspresyonunun düzenlenmesi tanımlanmıştır. Atrazinin amonyak ve karbon dioksite mineralizasyonu genellikle, atrazin klorohidrolaz (AtzA) enzimi tarafından katalize edilen hidrolitik klorsuzlaştırma ile başlatılır. Alternatif olarak, bu reaksiyon, substratlar olarak desetil-desizopropillatrazin dahil olmak üzere türevlerini de kullanabilen başka bir atrazin klorohidrolaz (TrzN) tarafından katalize edilir. Analizinde frankia genomlar, degradasyon yolu için aday genleri tanımlanmıştır. Frankia alni ACN14a (FRAAL1474) ve Frankiasp EuI1c (FraEuI1c_5874) genomlarının ve amidohidrolaz gen ürününün, kloru sıralı atrazinden ve desetil desizopropil atrazinden ammelin için veya ammelin için s-triazin bileşiklerinden uzaklaştırdığı tahmin edilmektedir.
Ayrıca, varsayılan birtzB geni, tahmin edilen gen ürünü olan adenosin aminohidrolaz 3’ün, N-hidroksyathrazinden N-izopropilamelide kadar dealkilasyon reaksiyonunda yer aldığı her iki Frankia genomunda da tanımlanmıştır. Fizyolojik çalışmalar, Frankia ACN14a ve EuI1c kültürlerinin, atrazin – desetil-desizopropillatrazin ve N-izopropilammelidi parçalayarak hidroksyathrazin son ürünleri üretebildiğini göstermiştir. Enzimler saflaştırılmamasına rağmen, bu veriler açıkça atrazinin metabolizmasını göstermiştir. Gen ifadesinin analizi frankia ACN14a, trzN ve atzB iki genin, atzR geni, öngörülen bir LysR tipi transkripsiyonel regülatörü kodlardır.
Biyoinformatik analizi frankia genomlar, frankia sp ve EuI1c genomu atrazin bozunması için potansiyel bir tam yol ortaya çıkarmıştır. TheatzC Varsayılan bir amidhidrolaz enzimini kodlayan geni ve Nsiyanürik asit üretmek için atrazinden izopropil grubu vardır. Diğer bakteri sistemlerinde, siyanürik asit, amonyum ve karbondioksite hidrolize edilir. Frankia içinde EuI1c, atzD gen ürününün, siyanürik asidi, kendiliğinden biüreye dekarboksilat olan karboksibiyüre dönüştürdüğü tahmin edilmektedir. Varsayımsal atzE ve atzF genlerinin de frankia EuI1c genomunu ve gen ürünlerini, biüreyi allofanata ve amonyak artı karbondioksite dönüştürerek triazin mineralizasyonu tamamlaması beklenmektedir. Ayrıca bir trzR GntR ailesi transkripsiyon düzenleyicisini kodlayan gen, atzD geninde ve ekspresyonunda rol oynar.
Aromatik Bileşik Olan Bifenil ve Poliklorlu Bifenil Bozulması
Bifeniller ve poliklorlu bifeniller (PCB’ler) çevrede bulunan en inatçı ksenobiyotiklerden bazılarıdır. Klorlama derecesi, karbon atomları üzerindeki pozisyonları gibi PCB’ler arasında büyük ölçüde farklılık gösterirken, 1’den 10’a kadar değişirler. 1980’li yılların ortalarından bu yana, PCB’lerin kullanımı birçok ülkede aşamalı olarak kaldırılmıştır. Bununla birlikte, toksisiteleri, çevrede kalıcılıkları ve potansiyel kanserojenlikleri nedeniyle, hala önemli bir küresel çevre sorunudur.
Bakteriler, bifenili ve PCB’leri meta tarafından kodlanan ayrılma yolu bphoperonu ve ara olarak trikarboksilik asit ve klorobenzoat (CBA) üretirler. Bu yoldaki ilk enzim, büyük a ve küçük β alt birimlerinden, ferredoksin ve ferredoksin redüktaz alt birimlerinden oluşan multimerik bir kompleks olan bifenil dioksijenazdır. Bozunma süreci, hidroksil grupları oluşturmak için aromatik halkanın 2 ve 3 karbon pozisyonlarında iki oksijen atomunu birleştiren bifenil dioksijenaz tarafından başlatılır. PCB’lerin degradasyonu için, bifenil dioksijenaz başlangıçtaki 2,3-dioksijenasyonu katalize eder ve dihidrodiol dehidrojenaz ürünü 2,3-dihidroksibifenile dönüştürür. 2,3 dihidroksibifenil dioksijenaz enzimi, 2-hidroksi-6-okso-6-fenilheksa-2,4-dienoik asit (HOPDA) üretmek için dihidroksile halkayı parçalar. Bir hidrolaz enzimi daha sonra HOPDA’yı benzoik aside ve 2-hidroksipent a-2,4-dienoata hidrolize eder.
Frankia’da Bifenil Bozunma Yolu
En az dört Frankiasuşları 5 mM’ye kadar konsantrasyonlarda bifenil ve poliklorlu bifenile (PCB) dirençlidir. Bifenil degradasyonu yeteneğine sahip bilinen organizmalar için veri madenciliği ve frankia genom veritabanı, potansiyel olarak bifenil bozunmasına dâhil olan genlerin tanımlanmasını sağlamıştır. Bifenil bozunmasında rol oynayan enzimleri kodlayan genler tanımlanmıştır ve bunlar aşağıdaki gibidir:
• Aromatik halka hidroksile edici dioksijenazın alfa ve beta alt birimleri,
• Bir rieske demir-sülfür alan proteini,
• Bir alfa / beta hidrolaz kat proteini,
• Kısa zincir dehidrojenaz / redüktaz, 
Bu enzimler varsayımsal olarak, üst meta-parçalanma yolu olarak da bilinen benzen halkalarını oksitleme ve hidroksile etme yeteneğine sahiptir. Bifenil degradasyon genlerinin gen komşuluğunu gösterir ve bu genler ayrıca frankia suşu EUN1f ve Dg1 genomlarıdır. Hem meta-parçalanma üst ve alt yolları, genellikle diğer bazı PCB indirgeyen bakterilerde bph operondır. Frankia ile yakından ilişkili bir tür olan rhodococcus RAH1, PCB’leri tek bir karbon ve enerji kaynağı olarak metabolize etmek için frankia da bulunanlara bph homolog genleri kullanır. En az iki gen ve kısa zincirli dehidrojenaz / redüktaz bph operon frankia bifenil varlığında yukarı düzenlenirse, muhtemelen frankia operonu ve PCB’leri metabolize etmek için bph bifenilleri kullanır.
Kaynakça:
hindawi.com/journals/bmri/2013/948258/
researchgate.net/publication/259355794_Use_of_Frankia_and_Actinorhizal_Plants_for_Degraded_Lands_Reclamation
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu