Pseudomonas stutzeri

Pseudomonas stutzeri on sugukonda Pseudomonadaceae kuuluv bakter. See on oportunistik patogeen, mis on eriti tuntud oma denitrifitseerimisvõime poolest ja teda kasutatakse selle uurimisel mudelorganismina. P. stutzeri't kirjeldati esmakordselt 1895. aastal. Katsed näitasid, et bakter kuulub DNA-rRNA hübridisatsiooni järgi perekonda Pseudomonas. 1966. aastal tehti kindlaks, et P. stutzeri võib toituda väga mitmekülgselt ning kasutada süsinikuallikatena ka selliseid ühendeid, mida teised perekonda Pseudomonas kuuluvad bakterid ei kasuta. Osa P. stutzeri tüvedest toodab ka siderofoore.

Klassifikatsioon

Katsetega on kindlaks tehtud P. stutzeri fülogeneetiline kuuluvus. Kasutatud on nii DNA-DNA hübridisatsiooni võrdlemist, DNA-rRNA hübridisatsiooni, GC-protsenti, 16S rRNA järjestuse analüüsimist, Grami järgi värvimist kui palju muud.

• • Riik: Bacteria
  • Hõimkond: Proteobacteria
  • Klass: Gammaproteobacteria
  • Selts: Pseudomonadales
  • Sugukond: Pseudomonadaceae
  • Perekond: Pseudomonas
  • Liik: Pseudomonas stutzeri

Isoleerimine loodusproovidest

Bakterit saab isoleerida kahel viisil. Kasutada võib diferentsiaalsöötme meetodit. Sellega tagatakse söötmel sobivad tingimused elamiseks vaid P. stutzeri'le ning teised ei saa sellise söötme peal kasvada. See viis võeti esmakordselt kasutusele 1902. aastal. Kasvatades rakke anaeroobsetes tingimustes sellisel söötmeagaril, mis sisaldab 2% nitraati ja tartraati (C₄H₄O₆^2-) (selle asemel võib olla ka malaat, suktsinaat, tsitraat, etnool või atsetaat), muutub domineerivaks liigiks P. stutzeri. Bakter suudab kasvada ka sellisel söötmel, kus on energiaallikateks kas ainult ammoonium või nitraat, teised kasvufaktorid ei ole vajalikud.

Teine võimalus on kõik proovis olnud bakterid läbi analüüsida ja jõuda lõpuks P. stutzeri'ni. Seda võib teha 16S rRNA järjestusel põhineva meetodi abil. 1998. aastal loodi sellised PCR-praimerid, mis olid spetsiifilised kõigile tol ajal teada olnud P. stutzeri tüvedele. Samas kasutati meetodit vaid selleks, et oma tulemusi üle kontrollida. P. stutzeri puhul on võimalik kontrollida ka denitrifitseerimisgeenide nirS ja nosZ olemasolu. Lisaks nifH geeni, mille abil saab analüüsida just neid baktereid, kes suudavad risosfääris elades õhulämmastikku siduda.

Morfoloogia

Pseudomonas stutzeri kolooniad Petri tassil

P. stutzeri on kepikujuline pulkbakter, kes kuulub gramnegatiivsete bakterite hulka. Tema rakud on üldiselt üks kuni kolm mikromeetrit pikad ning 0,5 mikromeetrit laiad. Suuremal osal P. stutzeri tüvedest on olemas liikumisvõime, eriti levinud on see mullas elavate tüvede seas. Liikumist võimaldab üks polaarne vibur, harvemini esineb kaks lateraalset viburit. Kui tüvel AN11 katsetati viburi tekkimist, siis 38%-l tuli 1 polaarne vibur, 31%-l tekkis(id) ka lisavibur(id) ning ülejäänutel vibur puudus.

P. stutzeri teeb huvitavaks tema kolooniate eripärane kuju ning konsistents. Alles isoleeritud kolooniad, mis on veel värsked, tunduvad olevat kortsulise struktuuri ja punakaspruuni värvusega. Tavaliselt on kolooniad siiski kõvad ja üsna kuivad, sellepärast on neid ka lihtne substraadilt eemaldada. Kolooniate välisäärt võib kirjeldada kui puuoksa, sest kolooniate ääred on samamoodi hargnenud. Samas võib kolooniate kuju muutuda. Kui laboritingimustes toimub kolooniate pidev edasikülvamine või ümberkülvamine, võivad P. stutzeri kolooniad muutuda kahvatukollasteks ning kolooniate ääred ühtlaselt siledaks. Tavaline temperatuur P. stutzeri laboris kasvatamiseks on 30 °C. Kui hoida rakke 24 tundi 4 °C juures, muutuvad kolooniad struktuurilt taas kortsuliseks.

Füsioloogilised omadused

P. stutzeri kasvutemperatuur on 4 kuni 45 °C, kuid kasv ekstreemsetes oludes on kõigi tüvede puhul pärsitud. Süvaookeanist isoleeritud tüved taluvad kasvu 2 °C juures ja 100 MPa rõhu all. Suurem osa eelistab kasvada temperatuuril 40 kuni 41 °C, mõned üksikud tüved eelistavad 43 °C. Üldiseks optimumiks loetakse 35 °C. pH taluvuse vahemik on samuti suur, kuid seni pole avastatud tüve, mis suudaks kasvada pH 4,5 või sellest väiksema juures. P. stutzeri kasvab hästi õhuhapniku käes, kuid kasvatades rakke eesmärgil siduda lämmastikku, tuleb neid hoida mikroaerofiilidele sobilikes tingimustes. Kõik tüved kasvavad, kui substraadiks on glükonaat, D-glükoos, D-maltoos, tärklis, glütserool, atsetaat, butaraat, isopürovaat, propionaat, fomaraat, glutaraat, glükolaat, DL-3-hüdroputüraat, DL-laktaat, DL-malaat, oksaalatsetaat, püruvaat, suktsinaat, A-alaniin, A-asparagiin, L-glutamaat, L-glutamiin, L-isoleutsiin või L-proliin.

Genoom

Kõigil P. stutzeri tüvedel on üks tsirkulaarne kromosoom. Genoomi suurus on 3,75 kuni 4,64 Mb. Eri tüvede genoomide suurus võib erineda kuni 20%. Bakteri geenide hulgast on leitud replikatsiooni alguspunkti lähedat neli rrn-operoni. Teiste bakteriliikide puhul asuvad rrn-operonid pigem replikatsiooni alguspunktist kaugemal. Tõenäoliselt arenes sellest bakterist eraldi liik genoomi suuruse ja eriskummalise paigutuse tõttu. P. stutzeri plasmiide uuriti kokku kahekümnel tüvel, millest pooltel need esinesid, ühel tüvel enamasti üks kuni neli. Kõikidest leitud plasmiididest olid 72% väiksemad kui 50 kb, üks jäi vahemikku 50 kuni 95 kb ning üks oli suurem kui 95 kb. Ükski tüvedest ei jaganud täpselt samasuguseid plasmiide. Kümnest plasmiididega tüvest olid seitse isoleeritud reostunud aladelt. NCBI (The National Center for Biotechnology Information) andmebaasis on kümne P. stutzeri tüve genoomid täielikult ning 21 tüve genoomid osaliselt sekveneeritud.

Denitrifitseerija

Selle protsessi eesmärgiks on kasutada õhulämmastikku elektroni aktseptorina, et läbi viia bioenergeetilisi protsesse anaeroobses, mikroanaeroobses või väga harva ka aeroobsetes tingimustes. Denitrifikatsiooni ensümaatiline elektronide ülekanne on otseselt seotud ATP tootmisega. Elektronide ümberpaigutumine kutsub esile prootongradiendi, millest saabki sünteesida ATP'-d. P. stutzeri denitrifitseerimise rada on stabiilne ning ta on üks kõige aktiivsemaid denitrifitseerijaid bakterite hulgas. Sel põhjusel on ta ka võetud denitrifitseerimise uurimisel mudelorganismiks.

Oma suure geneetilise ja füsioloogilise vastuvõtlikkuse pärast saab P. stutrzeri tüvesid saab kasutada keskkonnatehnoloogias. Paljud tüved võivad lagundada inimtegevuse reoaineid ning sellega mängivad nad olulist rolli reostuste likvideerimisel. P. stutzeri tüved taluvad väga erinevaid keskkonnatingimusi ja see teeb nende kasutamise võimalikuks peaaegu igas kohas. Bioloogias ja biotehnoloogias pakuvad erilist huvi tüved AG259 ja RS34.

P. stutzeri AG259

AG259 on P. stutzeri tüvi, mis isoleeriti USA Utah' osariigi hõbedakaevandusest. Tema hõbedaresistentsuse kohta ei ole palju teada, kuid usutakse, et selle tagab geen pKK1. Arvatakse, et see geen tagab bakterile mehhanismi, millega saab toota raku sees hõbedast ja sulfiidist komplekse. Hilisemates uuringutes on näidatud, et bakter suudab oma periplasmasse koguda ka hõbedal baseeruvaid kristalle. Need võivad olla kuni 200 nm suured ning kas kolm- või kuusnurksed. Samuti suudab AG259 koguda endasse suurtes kogustes germaaniumit, vaske, pliid ja tsinki. Sellest tulenevalt pakub tüvi suurt huvi tehnoloogiates, mille eesmärgiks on katta pinnad orgaanilise metalliga.

P. stutzeri RS34

RS34 on tsingi suhtes resistentne ning see on eraldatud India New Delhi tööstuste reostatud alalt. Bakter kogub enda morfoloogiat muutes oma välismembraani suurtes kogustes tsinki. Selline mehhanism on ainulaadne ega sarnane ühegi teise seni teadaoleva teise mehhanismiga. RS34 seda rada on kasutatud, et eemaldada tsinki lahustest ja kaevandusmaakidest.

Metallide kasutamine

Kõik elusolendid vajavad mingil määral metalle, et tagada organismi normaalne talitlus. Ehkki nende mõju võib-olla toksiline. Bakterid neutraliseerivad enda jaoks metalle eri süsteemide abil. P. stutzeri'l on kolm siderofoori, mis tagavad talle koobalti, nikli, vase ja raua saamise ilma kahjustusteta. Samas on paljud P. stutzeri tüved resistentsed ka alumiiniumi, plii, germaaniumi, mangaani, plutooniumi, seleeni, hõbeda, titaani ja paljude teiste metallide suhtes. Seni on leitud, et kõik resistentsussüsteemid on geenide kodeeritud ja need geenid asuvad enamasti plasmiidides. Enim uuritud on P. stutzeri hõbedaresistentsust.

Aromaatsete ühendite kasutamine

Benseenituum on looduses väga levinud, kuid tegu on keskkonda saastava ühendiga. Perekonnas Pseudomonas on aromaatsete ühendite lagundamine levinud võime ning see on teadusele pikka aega selge olnud. P. stutzeri suudab lagundada mono- ja dihalogeene, Br-, Cl-, I- või F-bensoaate, 4-hüdroksübensoaati, benseensulfonaati, 4-metüülbenseensulfonaati, kresooli, naftaleeni (tüvi AN10), fenooli, toluaati, tolueeni ja salitsülaati.

Resistentsus antibiootikumidele

P. stutzeri on antibiootikumide suhtes palju tundlikum kui Pseudomonas aeruginosa. Põhjus arvatakse olevat tema väheses kokkupuutes eri antibiootikumidega ning harv esinemine haiglates. Suurema antibiootikumitaluvusega P. stutzeri on leitud HIV-positiivsete inimeste proovidest. Ühtlasi on leitud, et tegelikult on bakteril palju mehhanisme antibiootikumide resistentsuse jaoks, kuna iga antibiootikumi perekonna suhtes on leitud mõnel P. stutzeri tüvel resistentsus. Seni on kirjeldatud kahte mehhanismi: välismembraani valkude ja lipopolüsahhariidide varieerumine ja β-laktaamide olemasolu, mis hüdrolüüsivad looduslikke ja poolsünteetilisel penitsilliinil põhinevaid antibiootikume.

Kõik seni uuritud tüved on olnud tuntumatest antibiootikumidest resistentsed gentamütsiini, kanamütsiini ja tetratsükliini suhtes. Mõnel tüvel on leitud resistentsust ka rifampitsiidi, penitsilliini ja amoksüliini suhtes.

Patogeensus

1973. aastal dokumenteeriti esimene P. stutzeri põhjustatud infektsioon. Pärast seda juhtumit on esinenud veel mõni luu-, liigese-, silma- või nahainfektsioon. Seni teatakse vaid kahte P. stutzeri põhjustatud infektsiooni, mis on lõppenud surmaga. Kummagi juhtumi puhul ei ole selge, kas surma tegelik põhjus oli infektsioon või mõni teine haigus. P. stutzeri infektsioonid on patsientidel esinenud pärast operatsiooni või mõne suurema trauma järel. Haiglas läbi viidud uuringus koguti proove nii patsientide verest, uriinist, hingamisteedest kui ka haavadest. Eraldi proove võeti ka HI-viirust põdevatelt inimestelt. Tulemused näitasid, et kõikides proovides esinenud Pseudomonas'e perekonna esindajatest moodustas P. stutzeri 1,8% HIV patsientidel ning 2% teistel haigetel. Tulemustest selgus, et kõige rohkem P. stutzeri’t sisaldasid uriiniproovid. Selle põhjal võib P. stutzeri’t lugeda oportunistlikuks patogeeniks, kuid mitte täielikult patogeenseks bakteriks.

Ökoloogiline tähtsus

Kõik seni uuritud P. stutzeri tüved on biotsiidide vastu resistentsed ning paljud suudavad neid ka lagundada. Biotsiide kasutatakse laialdaselt nii põllumajanduses, tööstustes kui ka kliinilistes asutustes. Inimtegevuse tagajärjel paisatakse loodusesse igal aastal rohkem kui 14 miljonit kilogrammi biotsiide ning selle tagajärjeks võib-olla reostus. Nii P. stutzeri, teiste selle perekonna esindajate kui ülejäänud reoaineid lagundavatel bakterite ökoloogilises tähtsus on loodust puhastada. P. stutzeri eeliseks on võime elada nii maapinnas, magevees kui ka merevees. Tööstuslike jääkide lagundamisel pakuvad teadlastele suuremat huvi P. stutzeri tüved 5MP1 ja AK61.

Välislingid

• The National Center for Biotechnology Information