Eisen- und Schwefeloxidierender Apparat der biolaugung Archaea Metallosphaera sedula

Das thermoacidophile Archaeon Metallosphaera sedula immobilisiert Metalle und atmet aerob unter Verwendung von Eisen und reduzierten anorganischen Schwefelverbindungen (RISCs). Der Mikroorganismus bekommt zunehmend Aufmerksamkeit von Seiten der Biobergbau-Industrie als ein möglicher Kandidat für die Rückgewinnung von wertvollen, strategischen und Grundmetallen aus Metall-Sulfid-Erzen. Dies geschieht durch dissimilatorische Eisen- und Schwefel-oxidierende Prozesse. Biologische Regeneration von Fe3+ aus Fe2+, was von diesem Archaeon ausgeführt wird, ist der Schlüssel zum chemischen Angriff auf die Metall-Sulfide. Die Oxidation von Schwefel und RISCs trägt zur mineralischen Auslösung und der Aufrechterhaltung des Säuregrades bei, welcher benötigt wird um das Eisen in Lösung zu halten. Wegen seiner inhärenten Vorteile hoher Temperatur zu widerstehen, die von hochgradig exothermen Biolaugung-Prozessen herrührt, ist M. sedula mesoacidophilen Biokatalysten in der Kinetik von Biolaugung, deren Reaktions-Raten und der Beschleunigung der Laugung-Abläufe eindeutig überlegen. Nichts desto trotz, verglichen mit den Mesophilen, ist das Verständnis des Biolaugung- Verhaltens und der Schwefel- und Eisen-oxidierenden Fähigkeiten dieses extremen Thermophilen begrenzt. Dieses Proposal konzentriert sich auf die funktionelle Identifikation und Charakterisierung der Eisen- und Schwefel- oxidierenden Maschinerie von M. sedula. Vorläufige Untersuchungen erlaubten eine teilweise funktionelle Charakterisierung eines Rusticyanin-ähnlichen Proteins. Das Rustcyanin-ähnliche Protein, obwohl als Bleu Kupfer Protein (BCP) ausgewiesen, weist eine hohe Eisen-bindende Kapazität auf und könnte so ein neues Redox-actives Enzym darstellen, welches einzigartig in der respiratorischen Eisen-Oxidation von diesem thermoacidophilen Archaeon wäre. M. sedula sticht unter verwandten Extremophilen bezüglich seiner physiologischen Vielseitigkeit hervor es kann heterotroph unter Nutzung von Peptiden, autotroph unter CO 2 -Fixierung und Mixotroph unter Verwendung von Casaminosäuren und FeSO 4 oder Metallsulfiden wachsen. Dadurch stellt es einen exzellenten Modellorganismus für die Grundlagenforschung auf dem Gebiet des Biolaugung -Prozesses dar. Unter Verwendung des kürzlich sequenzierten und analysierten Genoms dieses Metall-immobilisierenden Archaeon, wurden genetische und funktionelle Tools (gezielte Gen-Disruption, Gen-Insertion, Gen-Transfer) entwickelt die eine gute Möglichkeit bieten um M. sedula metabolisch zu verändern. Die Resultate die im Zuge dieses Projekts erarbeitet werden, bieten eine gute Basis für das Design von metabolisch veränderten Stämmen mit verbesserten Biolaugung- Eigenschaften. Das Design solcher Stämme ist ein gewichtiger Teil der Arbeit zu diesem Proposal.

Die extrem thermoacidophile Metallosphaera sedula ist ein metallophiles Archäon, das unter heißen sauren Bedingungen (73 C, pH 2) lebt und verschiedene metallhaltige Erze verwendet, um seine Atmungselektronentransportkette zu steuern. Das wissenschaftliche Gesamtkonzept des Projekts konzentrierte sich auf die funktionelle Charakterisierung der Metalloxidierenden Maschinerie der extrem thermoacidophilen M. sedula, die ein entscheidendes Element für die Bioleaching-Leistung dieses Mikroorganismus darstellt. Die metalloxidierenden Eigenschaften von M. sedula wurden unter Verwendung einer integrierten interdisziplinären Technik untersucht, einschließlich feiner ultrastruktureller Elementaranalyse, Elektronenenergieverlustspektroskopie, Rasterelektronen und hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie, sowie mikrobiologischer und biochemischer Methoden. Dieser integrierte interdisziplinäre Ansatz führte zur Etablierung eines geomikrobiologischen Toolbox, der zur Entschlüsselung der Metalloxidierenden Maschinerie von M. sedula erforderlich war. Die Strukturmerkmale der Metalloxidierenden Maschinerie von M. sedula, die auf metallhaltigen Materialien gezüchtet wurden, wurden im Nanometerbereich aufgelöst. Während dieses Projekts wurden mikrobiell-mineralische Grenzflächen im Nanometerbereich, Bioleaching-, Physiologie- und Metalloxidierende Maschinerie von M. sedula, die auf verschiedenen terrestrischen und außerirdischen metallhaltigen Materialien gezüchtet wurden, aufgelöst und in Open-Access- Fachzeitschriften veröffentlicht. Bisher wurde die Biooxidationskapazität von M. sedula lediglich als Verfahren zur Verarbeitung von Sulfid- und Uranerzen vorgeschlagen. Wir haben jedoch gezeigt, dass M. sedula auf dem Nicht-Sulfid-Wolframerz Scheelit und synthetischen wolframhaltigen Verbindungen wachsen kann. Wir haben die Biotransformation von Scheelit durch M. sedula gezeigt, begleitet von der Solubilisierung von Wolfram in der Laugungslösung und der Biomineralisierung der Zelloberfläche mit kristallinen Nanopartikeln, die karbidartiges Wolfram enthalten. Diese Studie liefert Informationen über die mögliche Rolle von Mikroorganismen in mit Wolfram angereicherten natürlichen Umgebungen und die entsprechenden mikrobiellen Fingerabdrücke und hilft so, die Biogeochemie von Wolfram zu entschlüsseln. Die im Rahmen dieses Projekts gewonnenen Erkenntnisse sind nützlich für die derzeit unterrepräsentierte und weniger untersuchte Biomining von Wolframerzen, bei der eine Vorbehandlung mit biooxidativer Auflösung nützlich sein könnte. Während dieses Projekts wurden Eisen / Schwefel-oxidierenden Maschinerie und die mikrobiell-metallische Grenzfläche von M. sedula untersucht, die auf realen und synthetischen außerirdischen Materialien - Meteoriten-NWA 1172- und Mars- Regolith-Simulanzien - gezüchtet wurden. Wir haben gezeigt, dass dieses metallmobilisierende Archäon auf Mars-Regolith-Simulanzien wachsen kann, diese künstlichen außerirdischen Materialien aktiv besiedelt, frei lösliche Metalle in der Laugungslösung freisetzt und spezifische spektrale Fingerabdrücke hinterlässt. Wir untersuchten auch die Physiologie und die metallmikrobielle Grenzfläche von M. sedula, die auf einem echten außerirdischen Material, dem gewöhnlichen H5-Chondrit Nordwestafrika 1172 (NWA 1172), lebt und mit diesem interagiert. Die spezifische chemische Analyse der Grenzfläche zwischen Meteoriten und Mikroben bei einer Auflösung im nm-Bereich ermöglichte es uns, den Transport von anorganischen Meteoritenbestandteilen in eine mikrobielle Zelle zu verfolgen und das Eisen-Redox-Verhalten zu untersuchen. Unsere Untersuchungen liefern den weiteren Schritt zur Erweiterung unseres Wissens über die Meteoriten-Biogeochemie. Durch die Erweiterung unseres Wissens über außerirdisches- materialbasiertes Leben ist die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Meteoriten und Mikroben direkt relevant, um sowohl die Bewohnbarkeit außerirdischer Umgebungen als auch Fragen des Planetenschutzes zu definieren.