Frankia bakterisi, aktinorizal bitki simbiyozu, toksik aromatik hidrokarbonlarla kirlenmiş toprakların kolonizasyonunda önemli bir rol oynar. Aktinorizal simbiyozdaki bakteri hakkındaki anlayış, dizilenmiş genomların mevcudiyeti ile büyük ölçüde kolaylaştırılmıştır. Bu frankia genomlarının analizi, bu bakterilerin metabolik olarak çeşitli olduğunu ve toksik aromatik hidrokarbon bozunması potansiyeline sahip olduğunu ortaya koymuştur.
Frankia Bakterisinin Fenol Yıkımı
Fenol veya hidroksibenzen, bir hidroksil grubu ile ikame edilmiş bir benzen halkasından oluşur. Bu molekülün türevleri halk arasında fenolik bileşikler olarak bilinir. Fenolik bileşikler, çeşitli özelliklere ve kullanımlara sahip her yerde bulunan kimyasallardır. En basit fenolik bileşik olan fenol, petrol ve kömür işlemede, tinktoryal ve metalurjik endüstrilerde ve diğer birçok endüstriyel uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca çevreye araç egzozu yoluyla ve doğal metabolik süreçlerin bir ürünü olarak girer, klorofenoller, tarımsal uygulamalarda biyosit olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır.
Antropojenik fenolikler genellikle tehlikeli iken, doğal olan bileşikler kahve ve çay gibi yiyeceklerde bulunan konsantrasyonlarda çoğunlukla zararsızdır ve bazıları antibiyotik olarak kullanılır. Bununla birlikte, bazı fenoliklerin, özellikle fenol ve klorlu fenollerin toksisitesi, fenol iyileştirmeye adanmış önemli araştırma faaliyetlerine yol açmıştır. Fenol ve klorofenole akut ve kronik maruziyetin sağlık üzerinde ciddi etkileri vardır. Nihai olarak doku nekrozuna, karaciğer ve böbrek hasarına yol açan lipid peroksidasyonuna neden olur. Ek olarak, klorofenol maruziyeti, yüksek kanser riski, bağışıklık yetersizlikleri ve teratojenik etkiler ile ilişkilidir.
Genel Fenol Bozunma Yolu
Antropojenik fenoliklerin çevreden uzaklaştırılması için en umut verici tekniklerden biri biyoremediasyondur. Çoğu bakteri, katekol katabolik enzimler, en önemlisi katekol-2,3-dioksijenaz kullanarak fenolikleri bozar. Fenoller önce katekol oluşturmak için hidroksile edilir ve daha sonra katekol-2,3-dioksijenaz, meta konumunda benzen halkasını ayırır. Bu nedenle, katekol-2,3-dioksijenaz ile başlayan bozunma yoluna meta yol adı verilir. Meta yolu en yaygın olsa da, bozulması, katekol-1,2-oksijenaz kullanılarak, dolaşım veya orto pozisyonunda bölünme ile başlayabilir.
Halka bölünmesinden sonra, 2-hidroksimukonik semialdehit hidrolaz, 4-oksalokrotonat veren bir dekarboksilasyon reaksiyonunu katalize eder. 4-oksalokrotonat, 4-hidroksi-2-oksovalerat oluşturmak için 2-oksopent-4-enoat hidrataz ile hidratlanır. 4-hidroksi-2-oksovalerat aldolaz daha sonra 4-hidroksi-2-oksovaleratı piruvat ve asetaldehite böler ve bu da daha sonra merkezi metabolik yollara dâhil edilebilir.
Frankia Bakterisi ve Fenolik Bileşikler
Frankia spp hem üretir hem de fenolik bileşiklerden etkilenir ancak belirsizdiler ve frankia fenolü ile diğer fenolik bileşikleri bozabilir. Frankia fenolikler ilk olarak bitki-mikrop etkileşimleri bağlamında incelenmiştir. Arasındaki belirgin işlevsel ve morfolojik benzerliklere rağmen nodüller ve baklagiller, nodülasyonu kontrol eden moleküler ve fizyolojik mekanizmalar farklıdır. Bu nedenle, benzersiz nodülasyon süreci açısından hala yoğun bir araştırma alanıdır. Alnus spp (Kızılağaç) bitkileri, frankia ve ayrıca kök eksüdalarında, büyümesini etkileyen alışılmadık derecede yüksek seviyelerde fenoliklere sahiptir.
Test edilen alnus fenolikleri, frankia büyümesini çeşitli derecelerde inhibe eder. Spesifik olarak, benzoik asitler, kafein gibi sinamik asitlerden daha az inhibe edicidir. Bununla birlikte, bir bitki fenolik, o-hidroksifenilasetik asit, frankia büyümesi ve hem benzoik hem de sinamik asitler, dallara ayrılır. Düşük konsantrasyonlu bitki fenolikleri, aynı zamanda, frankia gen ekspresyonu, yüksek konsantrasyonlar biyosentezi basitçe inhibe eder. İlginç bir şekilde, ayrıca konakçı bitkisinin fenolik ekspresyonunu artırarak daha fazla fenol, flavonoid ve hidroksisinnamik asit üretmesine neden olur.
Mevcut besin maddelerini artırmanın bir yolu olarak fenoliklerin atılımını teşvik edebilir. Ancak frankia fenolik bileşikleri indirgeme yeteneğine sahip olmasına bağlıdır. Hiçbir çalışma bunu kanıtlamamasına rağmen fenolik bileşikleri indirgediğinde, bu bakterinin fenolik maddeleri indirgeme yeteneğine sahip olabileceğine dair genetik kanıt vardır. İlk olarak, biraz suşlar, katekol ve diğer fenolik bileşiklerin üretimini kodlayan genlere sahiptir. Bakteriler genellikle ürettikleri biyomolekülleri kurtardıklarından, anabolik bir yolun varlığı katabolik bir yolun da mevcut olduğunu düşündürür. Ayrıca, birden çok suşlar, fenol degradasyon yolağındaki en önemli enzim olan katekol-2,3-dioksijenaz içerir. Yakın akraba bir bakteri olan rhodococcus spp, tek karbon kaynağı olarak fenol ile büyümek için katekol-2,3-dioksijenaz yolunu kullanır. Aynı tür, dolaşım yoluyla daha inatçı olan pentaklorofenolü de parçalayabilmektedir. Bu, Frankia’nın biyoremediasyon çabalarında uygulanabilecek bir özellik olan fenolü parçalayabileceğini göstermektedir. Birkaç Frankia suşu fenol, kersetin, katekol ve diğer fenolik bileşikler üzerinde gelişebilir, ancak bunların parçalanmasının metabolizması çalışılmamıştır.
Frankia ve Naftalin Bozunması
Naftalin, 9 ve 10 karbonda birleştirilmiş iki benzen halkasından oluşan her yerde bulunan bir poliaromatik hidrokarbondur. Naftalin, kömür katranının damıtılması ve kristalleştirilmesiyle, ayrıca fosil yakıt yanması ve sigara dumanının yan ürünü olarak üretilir. Plastik ve reçinelerin üretimi için besleme stoğu ve kreozot bazlı ahşap koruyucuların bir bileşeni olarak dahil olmak üzere bir dizi endüstriyel uygulamada kullanılır. Naftalin aynı zamanda tentür ve deri tabaklama endüstrilerinde de kullanılmaktadır.
Birçok organik kirleticinin aksine, biyolojik olarak birikmez, bunun yerine, metabolize edilir ve idrar yoluyla atılır. Bununla birlikte naftalin, çok sayıda toksik etkisi olan sorunlu bir kirletici olduğundan, akut maruziyet hemolitik anemiye, karaciğer ve nörolojik hasara neden olur. ayrıca yoğun şekilde maruz kalındığında, yüksek kanser riski ile ilişkilidir. Naftalinin toksisitesi ve bir kirletici olarak yaygınlığı, biyoremediasyon ve biyolojik bozunma dâhil olmak üzere iyileştirme teknikleri üzerine araştırmaları teşvik etmiştir.
Naftalin biyolojik bozunma yolu ilk olarak bir suşta incelenmiştir, ayrıca pseudomonas bakterisi ile ilişkili naftalinin üst ve alt olarak iki bozunma yoluna sahiptir. Üst yol, salisilat ve bir piruvat molekülü üretmek için naftalini katabolize eder, alt yol ise salisilatı asetil Co-A ve piruvata ayırır. Üst yolun ilk adımı dört protein tarafından katalize edilir ve bunlar aşağıdaki gibidir:
• Naftalin dioksijenaz redüktaz,
• Naftalin dioksijenaz ferredoksin,
• Naftalin dioksijenaz
• Fe-S proteini küçük ve büyük alt birimler,
Bu enzim koleksiyonu cis-naftalin dihidrodiol ile dehidrojenize edilir, ardından naftalin cis-dihidodiol dehidrojenazı oksitleyerek 1,2-dihidroksi naftalin oluşturur.
Frankiada Naftalin Bozunması
Frankia naftalini ilgili bir yolla tek bir karbon ve enerji kaynağı olarak metabolize eder. Özellikle, naftalini veya bir türevini asetil Co-A ve süksinil Co-A’ya dönüştürmek için protokateşat yolunu kullanır. Bu bulgu, daha önceki saha çalışmalarında öne sürülen naftalin bozunmasında bulunmuştur. Frankia kızılağaçlarla ortak yaşamında, petrol-kum atıklarında ilk 1,5 yılda poliaromatik hidrokarbon bozunmasını artırırken, 2,5 yıl sonra, eşit naftalin bozunması gösterir. Kızılağaç simbiyozu, PAH kontamine alanlarda gelişir. İlginç bir şekilde, bu PAH ile kontamine alanlarda bulunan kızılağaç bitkileri, frankia normal soy 1’in aksine soy 3, bu kirletici maddenin aktinorizal bitkilerin yumrulanmasını veya hayatta kalmasını etkilediğini düşündürmektedir. Birlikte ele alındığında, bu bulgular frankia naftalin iyileştirmede yararlı bir araç olduğunu göstermektedir.
Protocatechuate
Oksik koşullar altında, birçok aromatik bileşiğin ß-ketoadipat yolunun katekol veya protokateşat dalı yoluyla mikrobiyal bozunması, orto katekol 1,2-dioksijenaz ve protokat 3,4-dioksijenaz ile bölünme veya meta-katekol-2,3- dioksijenaz ve protokateşat-4. 5-dioksijenaz ile bölünmeyle gerçekleşir.
Frankiada Potansiyel Protokatekat Bozunma Yolu
Protochatechuate yolu olan Frankia QA3’ün yanı sıra, mevcut Frankia genomlarının biyoinformatik analizinden birkaç başka potansiyel protokateşat yolu tanımlanmıştır. Frankia EuI1c’de, varsayılan bir protokol yangın yolu için potansiyel bir operon tanımlanmıştır. Bu operon, protokatekat 3,4-dioksijenaz alfa ve beta alt birimleri, fumarat liyaz, 3-oksoadipat enol-laktonaz ve 4-hidroksibenzoat 3-monooksijenaz dahil varsayılan yolda yer alan tahmini gen ürünlerini kodlar. Bu gen ürünleri, içinde bulunan protokateşüat bozunma yoluna benzer. Elde edilen sonuçlara göre frankia protokateküata dönüştürüldükten sonra birçok aromatik halka bileşiğini bozmak için protokatekat bozunma yolunu kullanabilir.
Hidrokarbonlar
Petrol bazlı enerji ve ürünler dünya çapında yaygın olarak kullanılmaktadır. Petrolün yaygınlığı kaçınılmaz olarak ciddi çevre kirliliğine yol açar. Petrol, hidrokarbonlar, sikloalkanlar, aromatik hidrokarbonlar ve asfaltenler gibi daha karmaşık kimyasalların karmaşık bir karışımıdır. Petrojenik bileşikler olarak adlandırılan bu kimyasallar ve bunların türevleri, petrol dökülmeleri ve petrol bazlı ürünlerin yanması sonucunda çevreye salınır. Petrol sızıntıları, petrol kirliliğinin en ciddi kaynaklarından biridir, aynı zamamanda su ve deniz ortamlarını tahrip eder. Petrolün iyileştirilmesi için yeni yöntemler belirlemeye yönelik devam eden araştırmalar önemlidir. Çünkü petrol sızıntıları ve petrolden kaynaklanan diğer kirlilik türleri çevresel sağlık riskleri oluşturmaya devam etmektedir.
Hidrokarbon parçalayan bakteri ve mantarlar, deniz ve tatlı su ortamlarının yanı sıra toprak habitatlarında da yaygın olarak bulunur. Pseudomonasalkan hidroksilaz (monooksijenaz) sistemi alkan hidroksilaz (AlkB), rubredoksin ve rubredoksin redüktaz olarak üç bileşenden oluşur. Bu sistem, n-alkanların kullanımındaki ilk oksidasyon adımından sorumludur. Alkan indirgeyen çeşitli bakterilerde benzer alkan hidroksilaz sistemleri bulunmuştur. 2B5 suşu, yeni bir alkan hidroksilaz geni yoluyla tek karbon kaynağı olarak ham petrolden C13 – C30 n-alkanları ve dallı alkanları (saf ve fitan) indirger. Diğer akinetobakter tek karbon kaynağı olarak zincir uzunluğu C10 – C40 olan n-alkanları kullanabilirler. Ek olarak, ikide birden fazla alkan hidroksilaz varlığı Rhodococcus suşlar karakterize edilir ve her iki organizma en az dört alkan monooksijenaz gen homologudur.
Bir biyoinformatik yaklaşım, frankia suşlar sekanslananlar arasında bu potansiyel hidrokarbon bozunma yollarını tanımlamak için kullanılmıştır. Bilinen hidrokarbon bozunma yolları için fonksiyonel olarak analiz edilen genler, frankia genom veritabanı ve potansiyel yolları tanımlar. Yapılan çalışmanın ilk verilerine göreda, F. alni ACN14a genomu, n-alkanların varsayılan bir alkan-1 monooksijenaz genine parçalanmasında rol oynayan bilinen enzimlerden biridir. Dahası, benzer bir gen frankia sp’ta da EAN1pec genomu bulunmuştur ve bu biyoinformatik sonuçlar hipotezi desteklemektedir. Frankia petrol sızıntısı kaynaklı hidrokarbonları bozabilir, bununla birlikte, bu ön sonuçların daha fazla araştırılması gerekir.
Metabolik kapasiteyi gen işlevi ile ilişkilendiren çalışmalar, bakterileri biyoremediasyon yetenekleri için kullanmanın ilk adımıdır. Eşsiz metabolik potansiyeli aydınlatmak için daha fazla biyoinformatik veri madenciliği gereklidir. Ancak bunlar silikoda çalışmalar bu yetenekleri doğrulamak için laboratuvar deneyleri gerektirir. Sınırlı saha çalışmalarına göre, aktinorizal nodül işgalinin çevresel koşullar tarafından kontrol altında olduğu görülmektedir. Frankia varlığı PAH stresli topraklarda bulunan kızılağaç nodüllerinin içinde bulunan soy 3 suşları, bu soyun daha büyük bir metabolik potansiyele sahip olabileceğini düşündürmektedir. Bu soyun diğer enfektif suşlara kıyasla daha büyük genom boyutu da bu hipotezi desteklemektedir. Ancak, bu varsayımı doğrulamak için daha fazla çalışmalar ihtiyaç vardır.
Kaynakça:
pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24350296/
sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128234143000113
Yazar: Özlem Güvenç Aðğoğlu