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Warum ist die Trennung biochemischer Synthesewege sicherer und wirtschaftlicher?

Warum ist die Trennung biochemischer Synthesewege sicherer und wirtschaftlicher?


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In unserer ersten Vorlesung über Pflanzenphysiologie sagte uns unser Lehrer, dass die Trennung der biochemischen Synthesewege vorteilhaft sei, weil sie sicherer und wirtschaftlicher sei. Das Problem, das ich bekam, als ich das zu Hause studierte, war, dass er nicht erklärte, warum das so ist.

Ich kann verstehen, warum es sicherer ist (zum Beispiel könnte ein Lysosom viele Hauptbestandteile der Zelle abbauen, wenn dieses Lysosom nicht auf seinen Bereich beschränkt wäre), aber es ist ziemlich schwierig für mich zu verstehen, warum es in Bezug auf die Kosten wirtschaftlicher ist von Energie. Jede klare / einfache Erklärung dazu wäre sehr dankbar.


Falsche Ökonomien?

Gott weiß, was der Lehrer des Posters meinte, als er sagte, dass die Trennung des biochemischen Weges „wirtschaftlicher“ sei! Dies ist kein Begriff, der normalerweise für den Stoffwechsel verwendet wird, und im Leben erhalten Menschen, die sparsam sind, nicht immer einen Wert für das Geld, das sie ausgeben, geschweige denn eine bessere Lebensqualität.

Die meisten Behandlungsmethoden zur Trennung biochemischer Reaktionswege betonen zu Recht die Vorteile, Vorwärts- und Rückwärtsreaktionssequenzen unabhängig voneinander regulieren zu können. Schauen wir uns jedoch die Trennung der Wege an in puncto energie, wie das Poster verlangte.

Einige grundlegende Thermodynamiken

Das Poster forderte auch, dass die Erklärung klar und einfach ist. Das Folgende ist einfach, solange Sie mit einigen Grundideen der chemischen Thermodynamik vertraut sind. Wenn nicht, schlage ich vor, dass Sie die drei Seiten in Abschnitt 8.2 von Berg . lesen et al. online. (Ob es klar ist oder nicht, das überlasse ich anderen.)

  • Was bestimmt, ob eine chemische Reaktion abläuft, ist die gesamte (Gibbs) Änderung der freien Energie (ΔG). Ist sie negativ, ist die Reaktion thermodynamisch günstig.
  • Die tatsächliche Änderung der freien Energie hängt von ΔG . ab0, die Standardänderung der freien Energie (die die Chemie der Reaktion(en) widerspiegelt) zusammen mit den tatsächlichen Konzentrationen der Reaktanten und Produkte.
  • Enzyme sind notwendig, um Reaktionen in lebenden Organismen zu katalysieren, beeinflussen jedoch nicht die Lage ihres Gleichgewichts.

Streit

Betrachten wir der Einfachheit halber eine Reihe von Reaktionen, bei denen die Verbindungen M und P ineinander umgewandelt werden:

M ⇄ N ⇄ O ⇄ P

Keine Trennung zwischen den Pfaden

Betrachten Sie eine Situation, in der die vorwärts (M➞P) und die umgekehrte biochemische Transformation (P➞M) die exakt gleichen chemischen Veränderungen beinhalten, die durch die exakt gleichen Enzyme katalysiert werden, d.h. keine Trennung zwischen den Wegen. Damit dies funktioniert, ist das Gesamt-ΔG0 muss nahe Null sein, sonst ist eine Reaktion in eine Richtung sehr schwer zu erreichen (erfordert eine sehr hohe Konzentration des Ausgangsreaktanten). Für ein ΔG0 nahe Null wird es bei gleichen Konzentrationen von M und P ein Gleichgewicht (keine Nettoreaktion) geben. Um einen Fluss von Metaboliten, sagen wir in Vorwärtsrichtung, zu bewirken, muss die Konzentration von M relativ zu P erhöht werden.

Dabei gibt es zwei Probleme.
Erstens wäre beispielsweise ein ziemlich großes Verhältnis von M zu P erforderlich, um einen Nettofluss durch den Pfad zu erreichen, und dies würde einen großen Pool von nicht umgesetztem M beinhalten. (Abschnitt 8.2 von Berg et al., oben zitiert, hat einige Berechnungen, die dies verdeutlichen.) Dies kann oder kann als sparsamer Umgang mit thermodynamischer Energie angesehen werden, ist jedoch nicht besonders sparsam im Umgang mit Ressourcen. Ein „Weg“, auf dem es eingesetzt wird, ist jedoch der Glukosetransport in der Leber (eigentlich ein einzelner Transportprozess).
Zweitens wird die Richtung der Gesamtreaktion allein durch das Verhältnis von M zu P gesteuert, eine Situation, der es an Flexibilität mangelt.

Trennung zwischen den Wegen

Wenn getrennte Wege beteiligt sind, wird das erste oben erwähnte Problem eines einzelnen Weges auf folgende Weise überwunden. Jede Gesamtreaktion kann ein hohes negatives ΔG . haben0, so dass es keinen so großen Reaktantenpool benötigt und im Wesentlichen unidirektional ist. Man könnte sich fragen, wie das sein kann, da der Wert von ΔG0 für die chemische Reaktion ist M ⇄ P fest. Die Antwort ist, dass an separaten Reaktionswegen andere Reaktanten beteiligt sind, so dass die gesamte Vorwärtsreaktion
M + X P + Y
in der Erwägung, dass die umgekehrte Reaktion sein könnte
P + A M + B
Dies wird für Glykolyse und Gluconeogenese in Abschnitt 16.3.6 von Berg . betrachtet et al. - mit tatsächlichen Gleichungen. Das G0, wird für die Glykolyse mit -84 kJ/mol und die für die Gluconeogenese mit -38 kJ/mol angegeben.

Wenn beide Reaktionen natürlich einen thermodynamisch günstigen Wert von ΔG0, ist es für die Zelle notwendig, den unwirtschaftlichen Kreislauf von P zurück zu M zu verhindern, nachdem sie gebildet wurde. Die Tatsache, dass die Wege jedoch unterschiedlich sind, bedeutet, dass verschiedene Enzyme beteiligt sind, die die Ziele von regulatorischen Molekülen sind, die sie aus- und einschalten können. Diese regulatorischen Moleküle spiegeln normalerweise Angebot und Nachfrage wider, müssen aber keine Zwischenstufen in den Reaktionssequenzen sein und können als weitaus raffiniertere „Schalter“ für die Enzyme fungieren. Die Einzelheiten hierzu für Glykolyse und Gluconeogenese finden Sie auf der ersten Seite von Abschnitt 16.4 von Berg et al.

… der Preis von allem, der Wert von nichts

Sind getrennte biochemische Wege also energetisch günstiger? Die große Änderung der freien Energie, die diese Reaktionen antreibt, geht als Wärme „verloren“, so dass man argumentieren könnte, dass die umkehren ist tatsächlich wahr. Oder man könnte das wiederum sagen „Du bekommst, wofür du bezahlst“.


Stellen Sie sich das Enzym mit vier verschiedenen Aufgaben vor. Seine Hemmung unterbricht vier verschiedene Wege. Stattdessen verhindert die Trennung von Pfaden in eine kontinuierliche Kette diskreter Prozesse, die von diskreten Enzymen ausgeführt werden, "katastrophale Störungen" und schafft eine energiearme Landschaft für die Entstehung neuer Pfade.


Proteinabbau

Entdeckung des Ubiquitin-vermittelten Proteinabbaus

Eine menschliche Zelle enthält einige hunderttausend verschiedene Proteine. Diese haben zahlreiche wichtige Funktionen: als Beschleuniger chemischer Reaktionen in Form von Enzymen, als Signalstoffe in Form von Hormonen, als wichtige Akteure in der Immunabwehr und als Verantwortlicher für Form und Struktur der Zelle. Die diesjährigen Nobelpreisträger für Chemie, Aaron Ciechanover, Avram Hershko und Irwin Rose, haben zu bahnbrechenden chemischen Erkenntnissen beigetragen, wie die Zelle die Anwesenheit eines bestimmten Proteins regulieren kann, indem sie unerwünschte Proteine ​​mit einer Markierung aus dem Polypeptid Ubiquitin markiert. Die so markierten Proteine ​​werden dann in zellulären „Abfallbeseitigern“, den sogenannten Proteasomen, schnell abgebaut – abgebaut.

Durch ihre Entdeckung dieses proteinregulierenden Systems haben Aaron Ciechanover, Avram Hershko und Irwin Rose es ermöglicht, auf molekularer Ebene zu verstehen, wie die Zelle eine Reihe sehr wichtiger biochemischer Prozesse wie Zellzyklus, DNA-Reparatur, Gentranskription und Qualität steuert Kontrolle neu produzierter Proteine. Neue Erkenntnisse über diese Form des kontrollierten Proteintods haben auch dazu beigetragen, die Funktionsweise der Immunabwehr zu erklären. Defekte im System können zu verschiedenen Krankheiten führen, einschließlich einiger Krebsarten.


Methoden

Genom-Suchen. Die Aminosäuresequenzen für alle identifizierten und annotierten eukaryotischen SQMO-Gene wurden aus den öffentlichen Datenbanken des National Center for Biotechnology Information (NCBI) und des Department of Energy (DOE)/Joint Genome Institute (JGI) zusammengestellt, www.ncbi.nih.gov und www. jgi.doe.gov (siehe die erste Spalte von Tabelle 2, die als unterstützende Informationen auf der PNAS-Website veröffentlicht wird). Aminosäuresequenzen für OSC-Gene der gleichen Organismen wurden ebenfalls erhalten, sofern verfügbar (Tabelle 2, zweite Spalte). Um SQMO-Gene in Prokaryoten zu identifizieren, wurde jede SQMO-Sequenz aus Tabelle 2 nach Blast (unter Verwendung von Standardwerten) gegen alle vollständigen und partiellen mikrobiellen Genome, die über das NCBI verfügbar sind, sowie die Genome, die derzeit am Department of Energy Joint Genome Institute bearbeitet werden, durchsucht und des Max-Planck-Instituts (http://blast.mpi-bremen.de/blast, abgerufen im März 2003). Die besten Übereinstimmungen (Tabelle 1) wurden als alle Arten definiert, die mindestens einen erwarteten Ähnlichkeitswert <10 –8 ergaben und wurden zusammengestellt und nach gewichteten Ähnlichkeitswerten wie unten beschrieben eingestuft. Da viele mikrobielle Spezies OSC-Gene enthalten, einschließlich SHCs, wurde nach OSC-Genen nur nach den Organismen gesucht, die durch die SQMO-Ähnlichkeitssuchen identifiziert wurden. Die Phylogenie der SHCs wird in dieser Arbeit nicht diskutiert.

Rohdaten der DNA-Sequenz für die mutmaßlichen SQMO- und OSC-kodierenden Regionen von M. capsulatus (gnl TIGR_414 contig: 229:Methylococcus capsulatus) und G. obscuriglobus (gnl TIGR_214688 contig:782:Gemmata obscuriglobus UQM 2246) wurden in alle sechs Leserahmen mit einer minimalen Leselänge von 300 aa übersetzt. Die resultierenden translatierten Sequenzen wurden gegen die Swiss-Prot-Proteinsequenzdatenbank gesprengt, um mutmaßliche funktionelle Homologe zu identifizieren.

Sequenzausrichtungen. Alle Daten wurden als Proteinsequenzen ausgerichtet. Mehrere Alignments wurden in Clustalw 1.8 durchgeführt, wobei die Blosum-Gewichtsmatrix, Gap Open Penalty 10, Gap Extension Penalty 0.0 und hydrophile Lücken verwendet wurden. Die Ausgabe wurde manuell auf Ausrichtung der erwarteten Motive überprüft, bevor mit der phylogenetischen Baumbildung fortgefahren wurde. Die Längenheterogenität am Anfang und am Ende der Sequenzen wurde maskiert, jedoch wurden keine Indel-Lücken entfernt.

Phylogenetischer Baumaufbau. Unbewurzelte phylogenetische Bäume wurden unter Verwendung von phylip 3.6α3 (http://evolution.genetics.washington.edu/phylip/phylip36.html) erstellt. Entfernungsmatrizen wurden unter Verwendung der protdist-Funktion mit der Jones-Taylor-Thornton-Matrix und gleicher Zeichengewichtung berechnet. Die Ausgabe wurde verwendet, um Neighbor-Joining-Bäume im Neighbor-Distanz-Analyseprogramm zu erzeugen, wobei eine zufällige Reihenfolge der Sequenzeingabe und negative Verzweigungslängen zulässig sind. Die Parsimony-Analyse wurde unter Verwendung der Protpars-Funktion mit randomisierter Sequenzaddition (10-mal durcheinander) durchgeführt. Lücken wurden als „fehlend“ behandelt. Die Maximum-Likelihood-Analyse wurde unter Verwendung von proml durchgeführt, auch mit der Jones-Taylor-Thornton-Matrix, ungewichteten Zeichen und randomisierter Reihenfolge der Eingabe (10-fach durcheinander). Für jede Analyse wurden insgesamt 100 Bootstrap-Analysen durchgeführt und, sofern verfügbar, globale Neuordnungen angewendet. Konsensbäume wurden aus der Rohausgabe berechnet und die Bootstrap-Konfidenz wird in der Reihenfolge Neighbor-Joining/Parsimony/Maximum Likelihood dargestellt.

Nachfolgende Realignment- und Neighbor-Joining-Rechnungen, die nur auf die aktiven FAD-Bindungsregionen der SQMO-Gene angewendet wurden, führten zu keinen signifikant anderen Schlussfolgerungen und werden daher nicht diskutiert.

Kulturen.Gemmata Stamm DSMZ 5831 (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen) wurde als getrocknete Zellen erworben und anschließend in PYGV-Medium (0,25 g Pepton/0,25 g Hefeextrakt/0,25 g Dextrose/1,0 Liter H .) rehydratisiert2Ö). Gemmata Stamm Wa1-1 wurde in Lebendkultur von der University of Washington, Seattle, erhalten. Sowohl DSMZ 5831- als auch Wa1-1-Zellen wurden auf PYGV-Agarplatten gestartet und dann auf flüssiges Medium übertragen. Flüssiges Medium wurde mit einer Konzentration von 10x hergestellt, dreimal mit Methylenchlorid und Hexan extrahiert, auf 1 Liter verdünnt und für 25 Minuten autoklaviert. Zellen für die Lipidanalyse wurden in PYGV gezüchtet, das 0,1% Cycloheximid, einen Pilzinhibitor, enthielt. Eine identische, zellfreie Negativkontrolle wurde beibehalten und anschließend für die Lipidanalyse verarbeitet.

Lipidanalyse. Erste Proben zentrifugierter Zellen wurden mit CH . extrahiert2Cl2 um insgesamt extrahierbare Lipide zu erhalten. Nachfolgende Proben wurden nacheinander extrahiert: Zellen wurden in H . suspendiert2O und extrahiert fünfmal mit CH2Cl2, mit Ultraschall und Vortexen. Zelltrümmer wurden dann auf einem verbrannten Quarzfaserfilter aufgefangen, die Hälfte des Filters wurde in KOH/CH&sub2; hydrolysiert3OH (90°C für 1 h) und die Hälfte wurde in H . hydrolysiert2O/HCl (70 °C für 4 h). Alle Proben wurden über Na . getrocknet2SO4 und derivatisiert mit Bis(trimethylsilyl)trifluoracetamid (5% Trimethylchlorsilan) in Pyridin. Gaschromatographie/MS-Analysen wurden auf einem 6890-Gaschromatographen von Agilent Technologies (Palo Alto, CA) durchgeführt, der mit einem 5973 massenselektiven Detektor gekoppelt war, der mit einer 60-m-CP-Sil5-Säule (1% Phenyl) ausgestattet war. Freies Lanosterol und Parkeol wurden durch ihre Massenspektren, Coinjektion eines authentischen Standards (Lanosterol), 500-MHz 1 H-NMR [Lanosterol und Parkeol gereinigt unter Verwendung eines Agilent Technologies 1100 LC-MS mit einer chemischen Ionisationsquelle (APCI) bei Atmosphärendruck] identifiziert. , und erneute Bestätigung der Koelution auf einer zweiten Gaschromatographiesäule unterschiedlicher Polarität [30-m DB-5-Säule (5% Phenyl)].


Fettstoffwechsel

Fatima Ameer, . Nousheen Zaidi , in Encyclopedia of Cancer (Dritte Ausgabe) , 2019

Mevalonat-Syntheseweg

Der Mevalonat-Weg führt zur Synthese von Sterolen und Isoprenoiden, die nachweislich entscheidend für das Tumorwachstum sind. Es ist bekannt, dass mehrere Enzyme dieses Weges für die Proliferation und das Überleben verschiedener Arten von Krebszellen essentiell sind. Der erste festgelegte Schritt des Mevalonat-Wegs ist die Umwandlung von 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA) in Mevalonsäure (Mevalonat) durch HMG-CoA-Reduktase (HMGCR) ( 1 ). Im nächsten Schritt des Stoffwechselweges wird Mevalonat zu Isopentenylpyrophosphat (IPP) und Dimethylallylpyrophosphat (DMAPP) metabolisiert. Farnesylpyrophosphat-Synthase katalysiert sequentielle Kondensationsreaktionen von DMAPP mit zwei Einheiten von IPP, um Farnesylpyrophosphat (FPP) zu bilden, und Geranylgeranylpyrophosphat-Synthase katalysiert noch eine weitere Kondensationsreaktion, um Geranylgeranylpyrophosphat (GGPP) zu bilden. FPP ist der Verzweigungspunkt für mehrere Wege, die zu verschiedenen Endprodukten führen, darunter Cholesterin, Steroide und Dolichole. Darüber hinaus kann FPP auch durch GGPP-Synthase in Geranylgeranylpyrophosphat (GGPP) umgewandelt werden. Die Squalen-Synthase katalysiert die erste Reaktion des ausschließlich der Cholesterinbiosynthese gewidmeten Weges und spielt eine entscheidende Rolle bei der Lenkung von Zwischenprodukten zu Sterol- oder Nicht-Sterol-Zweigen dieses Stoffwechselweges.

Das onkogene Potenzial des Mevalonat-Signalwegs wurde ebenfalls untersucht. Es wurde gezeigt, dass der Mevalonat-Weg die Proliferation in primären Leukämiezellen induziert. HMGCR wird auch als Kandidat für ein metabolisches Onkogen vorgeschlagen. Es wurde gezeigt, dass die ektopische Expression von HMGCR das Wachstum von transformierten und nicht-transformierten Zellen akzentuiert und mit RAS zusammenarbeitet, um die Transformation von primären embryonalen Mausfibroblastenzellen voranzutreiben. Darüber hinaus führte die direkte Verabreichung von Mevalonat über miniosmotische Pumpen an Mäuse, die Brustkrebszelllinien-Xenotransplantate beherbergen, zu einem erhöhten Tumorwachstum. Eine höhere Expression verschiedener Gene des Mevalonat-Signalwegs wurde auch mit einer schlechten Prognose bei Brustkrebspatientinnen korreliert.

Wie oben erwähnt, erzeugt der Mevalonat-Weg verschiedene Metaboliten, die an der Karzinogenese beteiligt sind. Beispielsweise wird gezeigt, dass Cholesterin an der Proliferation von Krebszellen und dem Schutz von Krebszellen gegen Immunüberwachung sowie an verschiedenen therapeutischen Mitteln beteiligt ist. Darüber hinaus dient Cholesterin als Vorläufer für die Synthese von Steroidhormonen und Oxysterolen, von denen angenommen wird, dass sie verschiedene Rollen bei der Krebsprogression spielen.

Farnesyl-diphosphat und Geranylgeranyl-diphosphat sind jeweils an der Farnesylierung und Geranylgeranylierung einer Vielzahl von Proteinen beteiligt. Farnesylierung und Geranylgeranylierung sind für die Fähigkeit von Ras- und Rho-Proteinen erforderlich, maligne Transformation, Invasion und Metastasierung zu induzieren. Dolichol ist ein wesentlicher Bestandteil der N-Glykosylierung von naszierenden Polypeptiden. Die Protein-N-Glykosylierung ist bei Krebs oft verändert und kann zum Fortschreiten der Tumorbildung beitragen. Andererseits führt die komplexe Verzweigung von N-Glykanen bei einigen Krebsarten auch zu tumorsuppressiven Eigenschaften. Coenzym Q ist entscheidend für die ATP-Produktion in Krebszellen, die zur Energiegewinnung auf oxidative Phosphorylierung angewiesen sind.


3. Mitochondriale Aminosäureträger

Viele der metabolischen Schicksale der oben diskutierten Aminosäuren konzentrieren sich in und um die Mitochondrien, und mitochondriale Transporter spielen wahrscheinlich eine entscheidende Rolle bei der Erleichterung der Aktivität des Aminosäurestoffwechsels ( 1 , 2 , 3 und 4 ). Eukaryotische Mitochondrien bestehen aus einer äußeren und inneren Membran, die die innere Matrix vom Zytosol trennen. Die beiden mitochondrialen Membranen bilden komplexe Unterstrukturen, die Cristae und Kontaktstellen zwischen Membranen und mit anderen Organellen umfassen, die alle die mitochondriale Funktion beeinflussen können [202,203,204]. Die äußere mitochondriale Membran (OMM) ist hochpermissiv bis zu

5 kDa, und Translokasen werden verwendet, um auf Mitochondrien gerichtete Proteine ​​sowohl durch die innere als auch durch die äußere Membran zu importieren. Die innere mitochondriale Membran (IMM) ist jedoch für die meisten kleinen Moleküle undurchlässig, ähnlich wie andere Zellmembranen, was es der mitochondrialen Matrix ermöglicht, im Vergleich zum umgebenden Zytosol eine unterschiedliche Metabolitenzusammensetzung beizubehalten. Spezifische mitochondriale Transporter werden benötigt, um den Austausch von Ionen und Metaboliten wie Adeninnukleotiden, Aminosäuren, Acyl-Carnitinen und kleinen organischen Säuren zu erleichtern. Die 53-köpfige SLC25-Familie stellt den größten Bestandteil der mitochondrialen Transporter dar. Andere Transmembranproteinfamilien, wie die Sideroflexin-Familie (SFXN), der mitochondriale Pyruvat-Carrier (MPC1/2), bestimmte Isoformen des ATP-bindenden Kassettentransporters (ABCB) und Spleißvarianten anderer Solute-Carrier (SLCs), tragen ebenfalls zu mitochondrialen Transport. Hervorragende Übersichten zu unserem aktuellen Wissen über mitochondriale Transporter finden sich an anderer Stelle [205,206,207]. In jüngster Zeit wurden Fortschritte bei der Identifizierung mitochondrialer Aminosäureträger erzielt, einschließlich solcher, die Serin (SFXN1/3), Glutamin (mitochondriale zielgerichtete SLC1A5-Variante) und verzweigtkettige Aminosäuren (SLC25A44) transportieren [208,209,210].

Trotz der wichtigen Rolle, die Serin für den Nukleotid-, Glycin- und Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel und die Kompartimentierung dieser Wege spielt, wurden die Transporter, die an seinem Transport in die Mitochondrien beteiligt sind, erst kürzlich identifiziert. Kory et al. identifizierten, dass Sideroflexin 1 (SFXN1) und andere SFXN-Homologe als in der inneren mitochondrialen Membran lokalisierte Serintransporter wirken [209]. Um den mitochondrialen Serintransporter zu identifizieren, haben Kory et al. nutzten einen funktionellen genetischen Screening-Ansatz in Zellen, denen der zytosolische Arm von FOCM fehlte, wodurch eine erhöhte Abhängigkeit vom mitochondrialen Serintransport für die Proliferation geschaffen wurde. Funktionell war SFXN1 aufgrund einer defekten oxidativen mitochondrialen Serin-abhängigen FOCM-Aktivität für die Aufrechterhaltung des Glycinpools und die Folatladung wichtig. SFXN1-null-Zellen waren für Glycin nicht auxotropher, was darauf hindeutet, dass andere Sideroflexin-Homologe, von denen es fünf gibt, eine gewisse kompensatorische Aktivität übertragen können.Durch anschließendes funktionelles genetisches Screening in SFXN1-Nullzellen fanden die Autoren, dass SFXN3 ein wahrscheinlicher Kandidat für einen redundanten mitochondrialen Serintransport ist. Die In-vitro-Liposomenrekonstitution von SFXN1 und die stabile Isotopenverfolgung legen nahe, dass SFXN1 Serin und andere kleine neutrale Aminosäuren, einschließlich Alanin, Cystein und Glycin, importieren kann. Diese Studie schließt eine wichtige Lücke in unserem Wissen über den mitochondrialen Serintransport und unterstreicht die Leistungsfähigkeit von funktionellem genetischem Screening, Tracing stabiler Isotope und Metabolomik zur Charakterisierung der Transporterfunktion in relevanten Kontexten. Angesichts der redundanten Funktion einiger Sideroflexin-Homologe kann eine vollständige Unterdrückung des mitochondrialen Transports die Hemmung mehrerer Ziele für die Behandlung eines abweichenden Serinstoffwechsels bei Krankheiten wie Krebs erfordern. Der mitochondriale Glycin-Import und/oder -Export kann auch eine wichtige Rolle bei der Erleichterung der FOCM- und Purin- und Glutathion-Biosynthese spielen. SLC25A38 und sein Hefehomologes Hem25 wurden kürzlich als mitochondrialer Glycintransporter charakterisiert [211]. Mutationen in SLC25A38 zu einer kongenitalen sideroblastischen Anämie führen, die durch einen Defekt in der Hämbiosynthese verursacht wird [212]. Insbesondere könnte die SHMT2-Aktivität theoretisch mitochondriales Glycin für die Häm-Biosynthese bereitstellen, jedoch fanden die Autoren heraus, dass Shm1 und Shm2 (Hefehomologe von SHMT1 bzw. SHMT2) nicht signifikant zur Hämsynthese beitragen [211]. Insbesondere ist nicht klar, ob SLC25A38 auch den mitochondrialen Glycinexport erleichtert, der für die Purin- und Glutathionsynthese in nährstoffarmen Umgebungen wichtig sein könnte.

Die anabolen und bioenergetischen Outputs der Glutaminolyse erfordern die Aktivität eines mitochondrialen Glutamintransporters, von dem bekannt war, dass er existiert, aber erst kürzlich identifiziert wurde [213]. Yoo et al. identifizierten eine Variante des Plasmamembrantransporters SLC1A5, der auf der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert ist und Glutamin importieren kann (SLC1A5_var) [208]. Um diesen Kandidaten zu identifizieren, stellten die Autoren die Hypothese auf, dass ein mitochondrialer Glutamintransporter eine strukturelle Homologie zu seinem Plasmamembranäquivalent (pmSLC1A5) aufweisen würde. Ein kürzerer SLC1A5_var, dem das Exon 1 von pmSLC1A5 fehlte und eine vorhergesagte mitochondriale Zielsequenz freilegte, wurde als Kandidat für mitochondrialen Glutamintransporter angenommen. Die mitochondriale Lokalisation und die Glutamintransportaktivität von SLC1A5_var wurde durch Immunfluoreszenz-Co-Lokalisierung, subzelluläre Fraktionierung, Metabolomik und stabile Isotopenverfolgungsexperimente in Zellen oder isolierten Mitochondrien ohne SLC1A5_var bestätigt. Bemerkenswerterweise wurde die SLC1A5_var-Expression als Reaktion auf Hypoxie positiv reguliert (1% O2) und Hypoxie-Mimetika (z. B. Deferoxamin, Kobaltchlorid) über einen HIF2α-abhängigen Transkriptionsmechanismus. Obwohl die Glutaminolyse unter normalen Bedingungen eine Hauptkohlenstoffquelle für Zwischenprodukte des TCA-Zyklus darstellt, führt Hypoxie und/oder mitochondriale Dysfunktion zu einer signifikanten Neuverdrahtung des Glutaminstoffwechsels durch reduktive Carboxylierungswege, um den lipogenen Fluss zu unterstützen [214,215,216,217,218]. Viele Zelllinien von Bauchspeicheldrüsenkrebs sind jedoch in der Lage, den oxidativen TCA-Zyklus selbst bei 0,1% O . aufrechtzuerhalten2und Yoo et al. zeigen, dass die SLC1A5_var-Aktivität in Bauchspeicheldrüsenkrebszellen für die ATP-Erzeugung aus Glutamin bei Hypoxie wichtig ist [77,208]. Die SLC1A5_var-Aktivität förderte die Glutathion-Produktion und die ROS-Abscheidung als Reaktion auf die Sauerstofflimitierung und war wichtig für die Gemcitabin-Resistenzmechanismen in Krebszellen. Insgesamt stellt der mitochondriale Glutamintransport durch SLC1A5_var eine interessante therapeutische Strategie dar, um den Glutaminbedarf von Krebszellen zu begrenzen.

Wie oben hervorgehoben, überbrückt der BCAA-Katabolismus zytosolische und mitochondriale Kompartimente mit Transaminierung und Oxidation, die eine Aktivität von zytosolischem/mitochondrialem BCAT1/2 und IMM-lokalisierter BCKDH erfordern. Kürzlich haben Yoneshiro et al. identifizierten, dass BCAAs als wichtige Substrate für den Stoffwechsel des braunen Fettgewebes (BAT) dienen, und fanden heraus, dass SLC25A44 als eine Schlüsselkomponente fungiert, die für den mitochondrialen BCAA-Transport und die Verwendung erforderlich ist [210]. Nach Kälteexposition nahmen die Plasmaspiegel von Valin allein oder von allen drei BCAAs bei männlichen Erwachsenen mit hohem BAT-Gehalt bzw. fettleibigen Mäusen ab [210]. 13 C-markiertes Leucin trug signifikant zu TCA-Zwischenprodukten in menschlichen braunen Adipozyten nach einer Behandlung mit Noradrenalin bei, was darauf hindeutet, dass die mitochondriale Oxidation zur BCAA-Clearance bei BAT beiträgt. Darüber hinaus exprimiert BAT selektiv das mitochondriale BCAT2, nicht das zytosolische BCAT1, was einen mitochondrialen Import erfordert. Um den mitochondrialen BCAA-Transporter zu identifizieren, haben Yoneshiro et al. quantifizierten Transkripte von Mitgliedern der SLC25-Familie und identifizierten mehrere Transporter, darunter uncharakterisierte SLC25A39 und SLC25A44, von denen nur SLC25A44 nach Kälteexposition induziert wurde. Experimente mit funktionellem Funktionsverlust und Funktionsgewinn sowie Experimente zur liposomalen Rekonstitution bestätigten, dass SLC25A44 als BCAA-Transporter fungiert, der für den mitochondrialen Import erforderlich ist, der von BAT für die Thermogenese und BCAA-Clearance benötigt wird. BCKAs werden auch durch die innere mitochondriale Membran transportiert, um als potenzielle Acyl-CoA-Quellen verwendet zu werden. Der mitochondriale BCKA-Transport wird durch den Monocarboxylat-Transporter 1 (MCT1/SLC16A1) erleichtert, obwohl auch MCT2/SLC16A2 in bestimmten Zusammenhängen (z. B. normales Gehirn, Brustkrebszelllinien) in Verbindung gebracht wurde [219, 220].

In den letzten Jahren wurden erhebliche Fortschritte zu einem umfassenderen Verständnis der mitochondrialen Aminosäuretransporter-Identität gemacht. Diese Studien heben die Vielfalt der Ansätze hervor, die verwendet werden können, um die mitochondriale Aminosäuretransporterfunktion zu identifizieren. Zytosolischer und mitochondrialer Aminosäureaustausch, der durch mitochondriale Transporter erleichtert wird, ist entscheidend für die Redox-Shuttle-Aktivität (z. B. MAS, FOCM). Mit der kürzlich erfolgten Identifizierung wichtiger mitochondrialer Transporter, die für den Aminosäure- und NAD+-Austausch erforderlich sind, einschließlich SLC25A51 und SLC25A52, verfügen wir nun über die notwendigen Werkzeuge, um zu analysieren, wie die Aminosäure-Redox-Shuttle-Aktivität und/oder der direkte NAD+-Import die kompartimentierte Redoxhomöostase beeinflussen [62,63 ,64,65,66,209,211]. Mehrere Aminosäuretransporter sind noch nicht bekannt, darunter solche für Asparagin, Tryptophan, Alanin, Methionin, Phenylalanin, Tyrosin, Cystein und Prolin [206]. Obwohl wir seit Jahrzehnten wissen, dass bestimmte Aminosäuren von isolierten Mitochondrien metabolisiert werden (z auftritt und welche Transporter beteiligt sind.


Biologischer Abbau und Bioremediation (mit Diagramm)

Bioabbau oder biologischer Abbau ist das Phänomen der biologischen Umwandlung organischer Verbindungen durch lebende Organismen, insbesondere die Mikroorganismen.

Der biologische Abbau beinhaltet im Wesentlichen die Umwandlung komplexer organischer Moleküle in einfachere (und meist ungiftige) Moleküle. Der Begriff Biotransformation wird für den unvollständigen biologischen Abbau organischer Verbindungen mit einer oder wenigen Reaktionen verwendet. Die Biotransformation wird zur Synthese kommerziell wichtiger Produkte durch Mikroorganismen eingesetzt.

Bioremediation bezieht sich auf den Prozess der Verwendung von Mikroorganismen zur Entfernung von Umweltschadstoffen, d. Die Entfernung organischer Abfälle durch Mikroben zur Umweltsanierung ist das Wesen der biologischen Sanierung. Die anderen Namen, die (von einigen Autoren) für die Bioremediation verwendet werden, sind Bio-Treatment, Bio-Reclamation und Bio-Restauration.

Es ist ziemlich schwierig, zwischen biologischem Abbau und biologischer Sanierung zu unterscheiden. Ferner beinhalten in der Biotechnologie die meisten Reaktionen des biologischen Abbaus/der biologischen Sanierung Xenobiotika.

Xenobiotika (Xenos-Foregin) beziehen sich im Allgemeinen auf unnatürliche, fremde und synthetische Chemikalien wie Pestizide, Herbizide, Kältemittel, Lösungsmittel und andere organische Verbindungen. Der mikrobielle Abbau von Xenobiotika gewinnt an Bedeutung, da er eine wirksame und wirtschaftliche Möglichkeit bietet, giftige Chemikalien, insbesondere Umweltschadstoffe, zu entsorgen.

Pseudomonas – der vorherrschende Mikroorganismus für die Bioremediation:

Mitglieder der Gattung Pseudomonas (ein Bodenmikroorganismus) sind die vorherrschenden Mikroorganismen, die Xenobiotika abbauen. Es wurden verschiedene Pseudomonas-Stämme identifiziert, die in der Lage sind, mehr als 100 organische Verbindungen zu entgiften. Beispiele für organische Verbindungen sind mehrere Kohlenwasserstoffe, Phenole, Organophosphate, polychlorierte Biphenyle (PCBs) und polycyclische Aromaten und Naphthalin.

Etwa 40-50 mikrobielle Stämme von Mikroorganismen, die Xenobiotika abbauen können, wurden isoliert. Neben Pseudomonas sind Mycobacterium, Alcaligenes und Nocardia weitere gute Beispiele. Eine ausgewählte Liste der Mikroorganismen und der abgebauten Xenobiotika ist in Tabelle 59.1 aufgeführt.

Konsortien von Mikroorganismen für den biologischen Abbau:

Ein bestimmter Mikroorganismusstamm kann eine oder mehrere Verbindungen abbauen. Manchmal kann für den Abbau einer einzelnen Verbindung die synergetische Wirkung einiger Mikroorganismen (d. h. eines Konsortiums oder Cocktails von Mikroben) effizienter sein. Beispielsweise wird das Insektizid Parathion durch die kombinierte Wirkung von Pseudomonas aeruginosa und Psudomonas stulzeri effizienter abgebaut.

Co-Metabolismus beim biologischen Abbau:

Im Allgemeinen ist der Metabolismus (Abbau) von Xenobiotika mit keinem Vorteil für den Mikroorganismus verbunden. Das heißt, die schädliche Chemikalie kann dem Organismus nicht als Kohlenstoff- oder Energiequelle dienen. Der Begriff Kom-Metabolismus wird häufig verwendet, um die (für den Mikroorganismus) nicht vorteilhaften biochemischen Wege anzugeben, die mit dem biologischen Abbau von Xenobiotika verbunden sind. Der Co-Metabolismus hängt jedoch von der Anwesenheit eines geeigneten Substrats für den Mikroorganismus ab. Solche Verbindungen werden als Co-Substrate bezeichnet.

Faktoren, die den biologischen Abbau beeinflussen:

Mehrere Faktoren beeinflussen den biologischen Abbau. Dazu gehören die chemische Natur des Xenobiotikums, die Leistungsfähigkeit des einzelnen Mikroorganismus, Nährstoff und O2 Versorgung, Temperatur, pH und Redoxpotential. Unter diesen ist die chemische Natur des Substrats, das abgebaut werden muss, sehr wichtig.

Einige der relevanten Merkmale sind nachfolgend aufgeführt:

ich. Im Allgemeinen werden aliphatische Verbindungen leichter abgebaut als aromatische.

ii. Das Vorhandensein von cyclischen Ringstrukturen und Längenketten oder Verzweigungen verringert die Effizienz des biologischen Abbaus.

iii. Wasserlösliche Verbindungen werden leichter abgebaut.

NS. Die molekulare Orientierung aromatischer Verbindungen beeinflusst den biologischen Abbau, d. h. ortho > para > meta.

v. Die Anwesenheit von Halogenen (in aromatischen Verbindungen) hemmt den biologischen Abbau.

Neben den oben aufgeführten Faktoren gibt es zwei neuere Entwicklungen, um den biologischen Abbau durch Mikroorganismen zu verbessern.

Dies ist ein Verfahren, bei dem die mikrobielle Aktivität durch eine erhöhte Nährstoffzufuhr oder durch Zugabe bestimmter stimulierender Mittel (Elektronenakzeptoren, Tenside) gesteigert werden kann.

Es ist möglich, den biologischen Abbau durch Manipulation von Genen zu erhöhen. Weitere Details zu dieser genetischen Manipulation, d. h. gentechnisch veränderten Mikroorganismen (GEMs), werden später beschrieben. Bio-Augmentation kann auch durch den Einsatz eines Konsortiums von Mikroorganismen erreicht werden.

Enzymsysteme für den biologischen Abbau:

Für den Abbau von Xenobiotika existieren in den Mikroorganismen mehrere Enzymsysteme (mit unabhängigen Enzymen, die zusammenarbeiten). Die Gene, die für die Enzyme der biologischen Abbauwege kodieren, können in der chromosomalen DNA oder häufiger auf den Plasmiden vorhanden sein. Bei bestimmten Mikroorganismen tragen die Gene sowohl des Chromosoms als auch des Plasmids zu den Enzymen des biologischen Abbaus bei. Eine Sonderstellung beim biologischen Abbau nimmt der Mikroorganismus Pseudomonas ein.

Eine ausgewählte Liste von Xenobiotika und den Plasmiden, die die Gene für ihren Abbau enthalten, ist in Tabelle 59.2 aufgeführt.

Widerspenstige Xenobiotika:

Es gibt bestimmte Verbindungen, die nicht leicht biologisch abbaubar sind und daher über einen langen Zeitraum (manchmal über Jahre) in der Umwelt verbleiben. Sie werden als widerspenstig bezeichnet.

Die Resistenz von Xenobiotika gegenüber mikrobiellem Abbau kann mehrere Gründe haben:

ich. Sie können chemisch und biologisch inert sein (sehr stabil).

ii. Mangel an Enzymsystem in den Mikroorganismen für den biologischen Abbau.

iii. Sie können nicht in die Mikroorganismen eindringen, da sie große Moleküle oder fehlende Transportsysteme sind.

NS. Die Verbindungen können hochgiftig sein oder zur Bildung hochgiftiger Produkte führen, die Mikroorganismen abtöten.

Es gibt eine große Anzahl von säurehaltigen xenobiotischen Verbindungen, z.B. Chloroform, Freone, Insektizide (DDT, Lindan), Herbizide (Dalapon) und synthetische Polymere (Kunststoffe z. B. Polystyrol, Polyethylen, Polyvinylchlor).

Der Abbau von DDT (75-100 %) im Boden dauert ca. 4-5 Jahre. Eine Gruppe von Mikroorganismen (Aspergillus flavus, Mucor aternans, Fusarium oxysporum und Trichoderma viride) wird mit dem langsamen biologischen Abbau von DDT in Verbindung gebracht.

Das Phänomen des fortschreitenden Anstiegs der Konzentration einer xenobiotischen Verbindung, während die Substanz durch die Nahrungskette geleitet wird, wird als Biomagnifikation oder Bioakkumulation bezeichnet. Beispielsweise wird das Insektizid DDT wiederholt von Pflanzen und Mikroorganismen aufgenommen.

Wenn sie von Fischen und Vögeln gefressen werden, reichert sich dieses Pestizid, das widerspenstig ist, an und gelangt in die Nahrungskette. Somit kann DDT in verschiedene Tiere, einschließlich des Menschen, eindringen. DDT beeinflusst das Nervensystem und wurde in einigen Ländern verboten.

Arten der Bioremediation:

Der wichtigste Aspekt der Umweltbiotechnologie ist der effektive Umgang mit gefährlichen und toxischen Schadstoffen (Xenobiotika) durch Bioremediation. Der Prozess der Umweltsanierung durch Bioremediation kann auf zwei Arten erreicht werden – in-situ- und ex-situ-Bioremediation.

In-situ-Bioremediation:

Bei der In-situ-Bioremediation handelt es sich um einen direkten Ansatz für den mikrobiellen Abbau von Xenobiotika an den Verschmutzungsorten (Boden, Grundwasser). Die Zugabe ausreichender Nährstoffmengen an den Standorten fördert das mikrobielle Wachstum. Wenn diese Mikroorganismen Xenobiotika (Schadstoffen) ausgesetzt sind, entwickeln sie die metabolische Fähigkeit, sie abzubauen.

Das Wachstum der Mikroorganismen und ihre Fähigkeit zum biologischen Abbau sind abhängig von der Versorgung mit essentiellen Nährstoffen (Stickstoff, Phosphor etc.). In-situ-Biosanierung wurde erfolgreich für die Reinigung von Ölverschmutzungen, Stränden usw. angewendet. Es gibt zwei Arten von in-situ-Biosanierung – intrinsisch und technisch.

Intrinsische Bioremediation:

Die den Mikroorganismen innewohnende metabolische Fähigkeit, bestimmte Schadstoffe abzubauen, ist die intrinsische Bioremediation. Tatsächlich können die Mikroorganismen im Labor auf ihre natürliche Fähigkeit zum biologischen Abbau getestet und entsprechend genutzt werden.

Entwickelte in-situ-Bioremediation:

Die den Mikroorganismen innewohnende Fähigkeit zur biologischen Sanierung ist im Allgemeinen langsam und begrenzt. Durch geeignete physikalisch-chemische Mittel (guter Nährstoff und O2 Zufuhr, Zugabe von Elektronenakzeptoren, optimale Temperatur) kann der Bioremediationsprozess auf einen effizienteren Abbau von Schadstoffen ausgelegt werden.

Vorteile der in situ Bioremediation:

1. Kostengünstig, mit minimaler Exposition gegenüber dem öffentlichen oder dem Standortpersonal.

2. Standorte der biologischen Sanierung bleiben minimal gestört.

Nachteile der in situ Bioremediation:

1. Sehr zeitaufwändiger Prozess.

2. Standorte sind direkt Umwelteinflüssen ausgesetzt (Temperatur, O2 Versorgung usw.).

3. Die mikrobielle Abbaufähigkeit variiert saisonal.

Ex-situ-Bioremediation:

An den belasteten Standorten können die Abfälle oder Giftstoffe gesammelt und die Biosanierung mit den erforderlichen Mikroorganismen (häufig ein Konsortium von Organismen) an dafür vorgesehenen Stellen durchgeführt werden. Dieses Verfahren ist sicherlich eine Verbesserung gegenüber der in-situ-Bioremediation und wird an einigen Stellen erfolgreich eingesetzt.

Vorteile der Ex-situ-Bioremediation:

1. Besser kontrollierter und effizienterer Prozess.

2. Das Verfahren kann durch Anreicherung mit gewünschten Mikroorganismen verbessert werden.

Nachteile der Ex-situ-Bioremediation:

2. Verschmutzungsorte sind stark gestört.

3. Nach Abschluss des Vorgangs kann ein Entsorgungsproblem auftreten.

Metabolische Wirkungen von Mikroorganismen auf Xenobiotika:

Obwohl es die Absicht des Biotechnologen ist, die Xenobiotika zum Vorteil von Umwelt und Ökosystem durch Mikroorganismen abzubauen, ist dies nicht immer möglich. Dies ist aus den verschiedenen Arten von Stoffwechseleffekten ersichtlich, wie unten gezeigt.

Dieser Prozess beinhaltet die mikrobielle Umwandlung einer toxischen Verbindung in eine ungiftige. Biologischer Abbau mit Entgiftung ist für Umwelt und Bevölkerung von großem Vorteil.

Bestimmte Xenobiotika, die nicht toxisch oder weniger toxisch sind, können in toxische oder stärker toxische Produkte umgewandelt werden. Das ist gefährlich.

Die Komplexverbindungen werden zu einfacheren Produkten abgebaut, die im Allgemeinen unbedenklich sind.

Der Konjugationsprozess kann die Umwandlung von Xenobiotika in komplexere Verbindungen beinhalten. Dies ist jedoch nicht sehr verbreitet.

Reaktionstypen in der Bioremediation:

Der mikrobielle Abbau organischer Verbindungen umfasst hauptsächlich einen aeroben, anaeroben und sequentiellen Abbau.

Aerobe Bioremediation:

Der aerobe biologische Abbau beinhaltet die Nutzung von O2 zur Oxidation organischer Verbindungen. Diese Verbindungen können als Substrate für die Zufuhr von Kohlenstoff und Energie zu den Mikroorganismen dienen. Zwei Arten von Enzymen, nämlich Monooxygenasen und Dioxygenasen, sind am aeroben biologischen Abbau beteiligt. Monooxygenasen können sowohl auf aliphatische als auch auf aromatische Verbindungen wirken, während Dioxygenasen aliphatische Verbindungen oxidieren.

Anaerobe Bioremediation:

Anaerober biologischer Abbau erfordert kein O2 liefern. Das Wachstum anaerober Mikroorganismen (meist in Feststoffen und Sedimenten) und folglich die Abbauprozesse sind langsam. Der anaerobe biologische Abbau ist jedoch kostengünstig, da die Notwendigkeit einer kontinuierlichen O2 Versorgung ist nicht da. Einige der wichtigen anaeroben Reaktionen und Beispiele für abgebaute organische Verbindungen sind unten aufgeführt.

Hydrierung und Dehydrierung — Benzoat, Phenol, Catechol.

Dehaiogenierung — Polychlorierte Biphenyle (PCBs), chloriertes Ethylen’s. Der Begriff Entchlorung wird häufig für die Enthalogenierung chlorierter Verbindungen verwendet.

Carboxylierung und Decarboxylierung — Toluol, Kresol und Benzoat.

Sequentielle Bioremediation:

Am Abbau mehrerer Xenobiotika sind sowohl aerobe als auch anaerobe Prozesse beteiligt. Dies ist oft eine wirksame Methode, um die Toxizität eines Schadstoffs zu verringern. Zum Beispiel unterliegen Tetrachlormethan und Tetrachlorethan einem sequentiellen Abbau.

Biologischer Abbau von Kohlenwasserstoffen:

Kohlenwasserstoffe sind hauptsächlich die Schadstoffe aus Ölraffinerien und Ölverschmutzungen. Diese Schadstoffe können von einem Konsortium oder einem Cocktail von Mikroorganismen z.B. Pseudomonas, Corynebacterium, Arthrobacter, Mycobacterium und Nocardia.

Biologischer Abbau aliphatischer Kohlenwasserstoffe:

Die Aufnahme von aliphatischen Kohlenwasserstoffen ist aufgrund ihrer geringen Löslichkeit in wässrigem Medium ein langsamer Prozess. Beim Abbau von aliphatischen Kohlenwasserstoffen sind sowohl aerobe als auch anaerobe Prozesse wirksam.Ungesättigte Kohlenwasserstoffe werden beispielsweise sowohl in anaeroben als auch in aeroben Umgebungen abgebaut, während gesättigte Kohlenwasserstoffe durch aerobe Prozesse abgebaut werden. Einige aliphatische Kohlenwasserstoffe, die einem aeroben Verfahren widersprechen, werden in einer anaeroben Umgebung wirksam abgebaut, z. chlorierte aliphatische Verbindungen (Tetrachlorkohlenstoff, Methylchlorid, Vinylchlorid).

Biologischer Abbau aromatischer Kohlenwasserstoffe:

Der mikrobielle Abbau von aromatischen Kohlenwasserstoffen erfolgt durch aerobe und anaerobe Prozesse. Der wichtigste an diesen Prozessen beteiligte Mikroorganismus ist Pseudomonas.

Beim biologischen Abbau von Aromaten läuft grundsätzlich folgender Reaktionsablauf ab:

1. Entfernen der Seitenketten.

2. Öffnung des Benzolrings.

Die meisten der nichthalogenierten aromatischen Verbindungen durchlaufen eine Reihe von Reaktionen, um Catechol oder Protocatechuat zu erzeugen. Die Bioremediation von Toluol, L-Mandelat, Benzoat, Benzol, Phenol, Anthracen, Naphthalin, Phenanthren und Salicylat zu Brenzkatechin ist in Abb. 59.1 dargestellt. Ebenso zeigt Abb. 59.2 die Bioremediation von Quinat, p-Hydroxymandelat, p-Hydroxybenzoylformiat, p-Toluat, Benzoat und Vanillat zur Herstellung von Protocatechuat.

Catechol und Protocatechuat können oxidative Spaltungswege eingehen. Beim ortho-Spaltungsweg bilden Catechol und Protocatechuat Acetyl-CoA (Abb. 59.3), während sie beim meta-Spaltungsweg (Abb. 59.4) zu Pyruvat und Acetaldehyd umgewandelt werden. Die Abbauprodukte von Catechol und Protocatechuat werden von fast allen Organismen leicht verstoffwechselt.

Biologischer Abbau von Pestiziden und Herbiziden:

Pestizide und Herbizide werden regelmäßig eingesetzt, um verschiedene Pflanzenkrankheiten einzudämmen und den Ernteertrag zu verbessern. Tatsächlich sind sie Teil der modernen Landwirtschaft und haben maßgeblich zur grünen Revolution beigetragen. Die gängigen Herbizide und Pestizide sind Propanil (Anilid), Propham (Carbamat), Atrazin (Triazin), Picloram (Pyridin), Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT), Monochloracetat (MCA), Monochlorpropionat (MCPA) und Glyphosat (Organophosphat). Die meisten Pestizide und Herbizide sind giftig und widerspenstig (resistent gegen biologischen Abbau). Einige von ihnen sind Tenside (an der Oberfläche aktiv) und werden auf der Oberfläche der Blätter zurückgehalten.

Biologischer Abbau halogenierter aromatischer Verbindungen:

Die am häufigsten verwendeten Herbizide und Pestizide sind aromatische halogenierte (überwiegend chlorierte) Verbindungen. Die biologischen Abbauwege halogenierter Verbindungen sind vergleichbar mit denen, die für den Abbau nicht halogenierter Aromaten beschrieben wurden (Abb. 59.1, 59.2, 59.3 und 59.4). Die Abbaugeschwindigkeit halogenierter Verbindungen ist umgekehrt proportional zur Anzahl der ursprünglich am Zielmolekül vorhandenen Halogenatome, d. h. Verbindungen mit einer höheren Anzahl von Halogenen werden weniger leicht abgebaut.

Die Dehalogenierung (d. h. die Entfernung eines Halogensubstituenten von einer organischen Verbindung) von halogenierten Verbindungen ist ein wesentlicher Schritt für ihre Entgiftung. Die Dehalogenierung wird häufig durch das Enzym Dioxygenase katalysiert. Bei dieser Reaktion wird Halogen am Benzol durch eine Hydroxylgruppe ersetzt.

Die meisten halogenierten Verbindungen werden auch in Catechol und Protocatechuat umgewandelt, die metabolisiert werden können (Abb. 59.4). Neben Pseudomonas sind auch andere Mikroorganismen wie Azotobacter, Bacilluefs und E. coli am mikrobiellen Abbau halogenierter Aromaten beteiligt.

Biologischer Abbau von polychlorierten Biphenylen (PCBs):

Die aromatischen chlorierten Verbindungen mit Biphenylring (durch Chlor substituiert) sind die PCBs, z.B. Pentachlorbiphenyl. PCBs werden kommerziell synthetisiert, da sie für verschiedene Zwecke nützlich sind – als Pestizide, als elektrische Leitfähigkeit (in Transformatoren), in Farben und Klebstoffen. Sie sind inert, sehr stabil und korrosionsbeständig.

PCBs wurden jedoch mit Krebs, Schäden an verschiedenen Organen und beeinträchtigter Fortpflanzungsfunktion in Verbindung gebracht. Ihre kommerzielle Nutzung wurde in den letzten Jahren eingeschränkt und wird heute hauptsächlich in elektrischen Transformatoren verwendet.

PCB reichern sich aufgrund der hydrophoben Natur und des hohen Bioakkumulationspotenzials in Bodensedimenten an. Obwohl sie gegen biologischen Abbau resistent sind, wurden in jüngster Zeit einige Methoden für die anaerobe und aerobe Oxidation unter Verwendung eines Konsortiums von Mikroorganismen entwickelt. Pseudomonas, Alkali-Gene, Corynebacterium und Acinetobacter. Für einen effizienteren Abbau von PCBs werden die Mikroorganismen auf Biphenylen gezüchtet, sodass die Enzyme des biologischen Abbaus von PCBs induziert werden.

Biologischer Abbau einiger anderer wichtiger Verbindungen:

Organo-Nitro-Verbindungen:

Einige der toxischen Organo-Nitro-Verbindungen können von Mikroorganismen zu ihrer Entgiftung abgebaut werden.

2, 4, 6-Trinitrotoluol (TNT):

Bestimmte Bakterien- und Pilzarten, die zu Pseudomonas und Clostrium gehören, können TNT entgiften.

Hydrolyse, gefolgt von anaerober Nitrifikation durch bestimmte Bakterien, baut Nitrocellulose ab.

Sie enthalten einige Tenside (oberflächenaktive Mittel), die nicht leicht biologisch abbaubar sind. Bestimmte bakterielle Plasmide können Tenside abbauen.

Gentechnik für eine effizientere Bioremediation:

Obwohl mehrere Mikroorganismen identifiziert wurden, die eine große Anzahl von Xenobiotika abbauen können, gibt es viele Einschränkungen bei der Bioremediation:

ich. Der mikrobielle Abbau organischer Verbindungen ist ein sehr langsamer Prozess.

ii. Kein einzelner Mikroorganismus kann alle in der Umweltverschmutzung enthaltenen Xenobiotika abbauen.

iii. Das Wachstum der Mikroorganismen kann durch die Xenobiotika gehemmt werden.

NS. Bestimmte Xenobiotika werden an den Feinstaub des Bodens adsorbiert und stehen für den mikrobiellen Abbau nicht mehr zur Verfügung.

Es ist nie möglich, alle oben genannten Einschränkungen anzugehen und einen idealen Prozess der biologischen Sanierung durchzuführen. In den letzten Jahren wurden einige Versuche unternommen, um neben dem Abbau von Xenobiotika, die gegenüber dem Abbau hochresistent (widerspenstig) sind, gentechnisch veränderte Mikroorganismen (CEMs) zu schaffen, um die biologische Sanierung zu verbessern. Einige dieser Aspekte werden kurz beschrieben.

Genetische Manipulation durch Übertragung von Plasmiden:

Die Mehrzahl der Gene, die für die Synthese biologisch abbauender Enzyme verantwortlich sind, befindet sich auf den Plasmiden. Es ist daher logisch, an genetische Manipulationen von Plasmiden zu denken. Neue Bakterienstämme können durch den Transfer von Plasmiden (durch Konjugation) erzeugt werden, die Gene für verschiedene Abbauwege tragen.

Wenn die beiden Plasmide homologe DNA-Bereiche enthalten, findet eine Rekombination zwischen ihnen statt, was zur Bildung eines größeren fusionierten Plasmids (mit den kombinierten Funktionen beider Plasmide) führt. Im Falle von Plasmiden, die keine homologen DNA-Bereiche besitzen, können sie im Bakterium (auf das der Plasmidtransfer durchgeführt wurde) koexistieren.

Die erste erfolgreiche Entwicklung eines neuen Bakterienstamms (Pseudomonas) durch Manipulationen des Plasmidtransfers wurde von Chakrabarty und seinen Mitarbeitern in den 1970er Jahren durchgeführt. Sie verwendeten verschiedene Plasmide und konstruierten ein neues Bakterium namens Superbug, das eine Reihe von Kohlenwasserstoffen des Erdöls gleichzeitig abbauen kann.

Die Vereinigten Staaten erteilten diesem Superbug 1981 ein Patent (gemäß der Richtlinie des amerikanischen Obersten Gerichtshofs). Damit wurde Superbug der erste gentechnisch veränderte Mikroorganismus, der patentiert wurde. Superbug hat eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung der Biotechnologie-Industrie gespielt, obwohl es nicht für den großflächigen Abbau von Ölverschmutzungen verwendet wurde.

Erzeugung von Superbug durch Übertragung von Plasmiden:

Superbug ist ein Bakterienstamm von Pseudomonas, der Kampfer, Oktan, Xylol und Naphthalin abbauen kann. Seine Entstehung ist in Abb. 59.5 dargestellt.

Das Bakterium, das CAM (campherabbauendes) Plasmid enthielt, wurde mit einem anderen Bakterium mit OCT (oktanabbauendem) Plasmid konjugiert. Diese Plasmide sind nicht kompatibel und können daher nicht im selben Bakterium koexistieren. Aufgrund des Vorhandenseins homologer DNA-Regionen findet jedoch eine Rekombination zwischen diesen beiden Plasmiden statt, was zu einem einzigen CAM-OCT-Plasmid führt. Dieses neue Bakterium besitzt die Abbaugene für Kampfer und Oktan.

Ein anderes Bakterium mit XYL (Xylol-abbauendem) Plasmid wird mit NAH (Naphthalin-abbauendem) Plasmid, das Bakterium enthält, konjugiert. XYL- und NAH-Plasmide sind kompatibel und können daher im selben Bakterium koexistieren. Dieses neu produzierte Bakterium enthält Gene für den Abbau von Xylol und Naphthalin.

Der nächste und letzte Schritt ist die Konjugation des Bakteriums, das das CAM-OCT-Plasmid enthält, mit dem anderen Bakterium, das die XYL- und NAH-Plasmide enthält. Der neu geschaffene Stamm ist der Superbug, der das CAM-OCT-Plasmid (zum Abbau von Kampfer und Oktan), das XYL- (Xylol-abbauende) Plasmid und das NAH-(Naphthalin-abbauende) Plasmid trägt.

Entwicklung von Salicylat – Toluol abbauende Bakterien durch Plasmidtransfer:

Es wurden einige Versuche unternommen, einen neuen Stamm des Bakteriums Pseudomonas putida zu schaffen, der gleichzeitig Toluol und Salicylat abbaut. Toluol-abbauendes (TOL)-Plasmid wurde durch Konjugation auf ein anderes Bakterium übertragen, das in der Lage ist, Salicylat abzubauen (aufgrund der Anwesenheit von SAL-Plasmid).

Der neu entwickelte Pseudomonas-Stamm kann gleichzeitig sowohl Toluol als auch Salicylat abbauen. Und dies geschieht selbst bei einer niedrigen Temperatur (0-5°C). Das neue Bakterium wird jedoch nicht regelmäßig verwendet, da mehr Forschung zu seinen Vor- und Nachteilen durchgeführt wird.

Genmanipulation durch Genveränderung:

Es wird daran gearbeitet, die Gene für einen effizienteren biologischen Abbau zu manipulieren. Das Plasmid pWWO von Pseudomonas kodiert für 12 verschiedene Enzyme, die für den Meta-Spaltungsweg verantwortlich sind (für die Umwandlung von Catechol und Protocatechuat in Pyruvat und Acetaldehyd, für den Abbau bestimmter aromatischer Verbindungen. Es wurde über einige Erfolge berichtet, um die Gene des Plasmids pWWO für . zu verändern effizienterer Abbau von Toluol und Xylol.

Gentechnisch hergestellte Mikroorganismen (GEMs) in der Bioremediation:

Superbug ist der erste gentechnisch veränderte Mikroorganismus. Mehrere Arbeiter auf der ganzen Welt haben an der Entwicklung von GEMs gearbeitet, die speziell für die Entgiftung von Xenobiotika entwickelt wurden. Eine ausgewählte Liste von GEMs mit einem Potenzial zum Abbau von Xenobiotika ist in Tabelle 59.3 aufgeführt. Fast alle diese CFMs wurden durch Übertragung von Plasmiden erzeugt.

Biotensid zur Herstellung von GEM:

Ein gentechnisch veränderter Pseudomonas aeruginosa wurde geschaffen (von Chakarabarty und seiner Gruppe). Dieser neue Stamm kann einen Glykolipid-Emulgator (ein Biotensid) produzieren, der die Oberflächenspannung einer Öl-Wasser-Grenzfläche reduzieren kann. Die reduzierte Grenzflächenspannung fördert den biologischen Abbau von Ölen.

GEM für den Abbau von Vanillat und SDS:

Ein neuer Stamm von Pseudomonas sp (Stamm ATCC 1915) wurde für den Abbau von Vanillat (Abfallprodukt aus der Papierindustrie) und Natriumdodecylsulfat (SDS, einer in Waschmitteln verwendeten Verbindung) entwickelt.

GEMs und Umweltsicherheit:

Die gentechnisch veränderten Mikroorganismen (GEMs) sind mittlerweile zu handlichen Werkzeugen der Biotechnologen geworden. Die mit der Verwendung von GEMs verbundenen Risiken und Gesundheitsgefahren sind höchst umstrittene und strittige Themen. Die Befürchtung der Biotechnologen und sogar der breiten Öffentlichkeit ist, dass der neue Organismus (GEM), sobald er in die Umwelt gelangt, das ökologische Gleichgewicht stören und den Lebensraum schädigen könnte. Einige der GEMs können virulent werden und zu genetischen Bomben werden, die der Menschheit großen Schaden zufügen.

Aufgrund der mit der Verwendung von GEM verbundenen Risiken durften bisher keine GEM in die Umweltfelder gelangen. Daher wurde die Verwendung von GEMs auf Labors und vollständig kontrollierte Prozesse des biologischen Abbaus (normalerweise unter Verwendung von Bioreaktoren) beschränkt. Darüber hinaus werden bei der Erstellung von GEMs mehrere Vorsichtsmaßnahmen getroffen, damit die mit ihrer Verwendung verbundenen Risiken minimal sind.

Einige Forscher sind der Meinung, dass GEMs in den nächsten Jahrzehnten biotechnologische Wunder für das Umweltmanagement von Xenobiotika schaffen werden. Dies ist möglicherweise nur möglich, wenn die damit verbundenen Risiken jedes GEM gründlich bewertet werden und seine biologische Sicherheit vollständig gewährleistet ist.

Bioremediation kontaminierter Böden und Brachflächen:

Durch die Industrialisierung und den umfangreichen Einsatz von Insektiziden, Herbiziden und Pestiziden werden die Feststoffe und Brachflächen weltweit verschmutzt. Die häufigsten Schadstoffe sind Kohlenwasserstoffe, chlorierte Lösungsmittel, Polychlorbiphenyle und Metalle.

Die biologische Sanierung von Böden und Brachflächen durch den Einsatz von Mikroorganismen gewinnt in den letzten Jahren an Bedeutung. Tatsächlich sind einige Erfolge bei der Entgiftung bestimmter Schadstoffe (z. B. Kohlenwasserstoffe) im Boden durch Mikroorganismen zu verzeichnen. Die biologische Sanierung von Böden kann durch die Einbeziehung von zwei Prinzipien erfolgen – Biostimulation und Bioaugmentation.

Biostimulation in der Bodenbioremediation:

Bei der Biostimulation handelt es sich im Wesentlichen um die Stimulation von Mikroorganismen, die bereits im Boden vorhanden sind, auf verschiedene Weise.

Dies kann auf viele Arten erfolgen:

ich. Zugabe von Nährstoffen wie Stickstoff und Phosphor.

ii. Ergänzung mit Co-Substraten z.B. Methan wurde zugegeben, um Trichlorethylen abzubauen.

iii. Zugabe von Tensiden zur Dispergierung der hydrophoben Verbindungen in Wasser.

Die Zugabe von Nährstoffen und Co-Substraten fördert das mikrobielle Wachstum, während Tenside die hydrophoben Moleküle freilegen. In all diesen Situationen kommt es zu einer Biostimulation durch effektive Biosanierung von verschmutztem Boden oder Brachland.

Bioaugmentation in der biologischen Bodensanierung:

Die Zugabe bestimmter Mikroorganismen zum verschmutzten Boden stellt eine Bioaugmentation dar. Die Schadstoffe sind sehr komplexe Moleküle und die einheimischen Bodenmikroorganismen allein können sie möglicherweise nicht effektiv abbauen. Beispiele für solche Schadstoffe sind Polychlorbiphenyle (PCB), Trinitrotoluol (TNT), polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und bestimmte Pestizide.

Basierend auf den Forschungsergebnissen auf Laborebene (in Bezug auf den biologischen Abbau) ist es nun möglich, eine Kombination von Mikroorganismen, die als Konsortium oder Cocktail von Mikroorganismen bezeichnet werden, hinzuzufügen, um eine Bioaugmentation zu erreichen.

Mit der Entwicklung gentechnisch veränderter Mikroorganismen (GEMs) können sie auch zur Bio-Augmentation von Böden für eine sehr effiziente Bioremediation eingesetzt werden. Der direkte Einsatz von GEM in den Böden ist jedoch mit mehreren Risiken und Gesundheitsgefahren verbunden.

Techniken der biologischen Bodensanierung:

Die am häufigsten verwendeten Methoden für die Bioremediation sind Böden in situ Bioremediation, Land Farming und Güllephasen-Bioreaktoren.

In-situ-Biosanierung von Böden:

In-situ-Bioremediation umfasst im Allgemeinen die biologische Reinigung von Böden ohne Aushub. Diese Technik wird zur biologischen Sanierung von verschmutzten Untergründen von Böden, Gebäuden und Straßen verwendet. Manchmal wird Wasser (mit Sauerstoff angereichert) durch den Untergrund zirkuliert, um die Effizienz des mikrobiellen Abbaus zu erhöhen. Es gibt zwei Arten von In-situ-Boden-Bioremediation-Techniken – Bioventing und Phytoremediation.

Dies ist eine sehr effiziente und kostengünstige Technik zur biologischen Sanierung von erdölbelasteten Böden. Bioventing beinhaltet den aeroben biologischen Abbau von Schadstoffen durch zirkulierende Luft durch den Untergrund des Bodens. Obwohl es einige Jahre dauert, kann Bioventing für den Abbau von löslichen Paraffinen und polyaromatischen Kohlenwasserstoffen verwendet werden. Die Haupteinschränkung dieser Technik ist die Luftzirkulation, die nicht immer praktikabel ist.

Die Bioremediation durch Verwendung von Pflanzen stellt eine Phytoremediation dar. An den Standorten mit belasteten Böden werden bestimmte Pflanzen angebaut. Diese Pflanzen sind in der Lage, den biologischen Abbau von Schadstoffen im wurzelnahen Boden (Rhizosphäre) zu stimulieren, obwohl die Phytoremediation ein kostengünstiges und umweltfreundliches Reinigungsverfahren für den biologischen Abbau von Bodenschadstoffen ist, das mehrere Jahre dauert.

Ackerbau in der Bodenbioremediation:

Land Farming ist eine Technik zur biologischen Sanierung von mit Kohlenwasserstoffen kontaminierten Böden. Eine schematische Darstellung des Land-Farming-Systems (auch als Festphasen-Bodenreaktor bezeichnet) ist in Abb. 59.6 dargestellt.

Der Boden wird ausgehoben, mit Mikroorganismen und Nährstoffen vermischt und auf einem Liner knapp unterhalb des verschmutzten Bodens ausgebreitet. Für eine gute Durchmischung und Belüftung muss der Boden regelmäßig gepflügt werden. Wenn der Boden mit Kompost vermischt wird und/oder die Temperatur erhöht wird, erhöht sich die Effizienz des biologischen Abbaus.

Auch die Zugabe von Co-Substraten und die anaerobe Vorbehandlung belasteter Böden erhöhen den Abbauprozess. Für die Biosanierung von Böden, die mit Chlorethanbenzol, Toluol und Xylol belastet sind, wird Land Farming erfolgreich eingesetzt. Die letzten drei Verbindungen werden oft als BTX-Aromaten bezeichnet.

Slurry-Phase-Bioreaktoren in der biologischen Bodensanierung:

Slurry-Phase-Bioreaktoren sind verbesserte landwirtschaftliche Systeme. In diesen Fällen wird der ausgehobene belastete Boden unter optimal kontrollierten Bedingungen in speziell ausgelegten Bioreaktoren einer biologischen Sanierung unterzogen. Durch den engen Kontakt zwischen den Xenobiotika und den Mikroorganismen und den optimalen Bedingungen (Nährstoffzufuhr, Temperatur, Belüftung etc.) erfolgt der Abbau sehr schnell und effizient. Slurry-Phase-Bioreaktoren sind jedoch aufgrund der hohen Kosten nicht für eine breite Anwendung geeignet.

Bioremediation von Grundwasser:

Umweltbelastungen führen an mehreren Stellen auch zur Verunreinigung des Grundwassers. Die am häufigsten vorkommenden Schadstoffe sind Erdölkohlenwasserstoffe (aliphatische, aromatische, zyklische und substituierte Moleküle). Die Bioremediation von Grundwasser kann mit zwei Methoden der Pump-and-Treat-Technik und der Bio-Zaun-Technik durchgeführt werden.

Pump-and-Treat-Technik zur biologischen Grundwassersanierung:

Die biologische Sanierung von Grundwasser mittels Pump-and-Treat-Technologie basiert meist auf physikalisch-chemischen Prinzipien zur Entfernung der Schadstoffe. Die Behandlungseinheiten werden über dem Boden aufgestellt. Stripkolonnen und Aktivkohlefilter können die meisten Grundwasserschadstoffe entfernen. Aufbereitetes Wasser wird durch Injektionsbrunnen mehrmals recycelt, damit die Schadstoffe effektiv entfernt werden.

Zur Entfernung bestimmter organischer Schadstoffe müssen biologische Reaktoren (Bioreaktoren) installiert werden (Abb. 59.7A). Für den biologischen Abbau von Tetrachlorethan hat sich beispielsweise ein Bioreaktor mit körnigem, methogenem Schlamm bewährt. In den letzten Jahren wurden Bioreaktoren mit sowohl aeroben als auch anaeroben Bakterien zur besseren Biosanierung stark belasteter Grundwässer entwickelt.

Eine gute Grundwasserreinigung durch Pump-and-Treat-Technik ist jedoch aus verschiedenen Gründen (Untergrundheterogenität, stark adsorbierte Verbindungen, geringe Schadstoffdurchlässigkeit etc.) nicht möglich.

Bio-Zauntechnik zur biologischen Grundwassersanierung:

Biozaun ist eine verbesserte Technik zur biologischen Sanierung von Grundwasser. Es besteht aus der Installation einer bioaktiven Zone am Gefällerand eines kontaminierten Grundwasserbereichs. Nährstoffe werden durch eine Vertiefung in die bioaktive Zone injiziert (Abb. 59.7B). Beim Passieren des Grundwassers durch die bioaktive Zone (durch den Einfluss der natürlichen Fließrichtung) werden die Schadstoffe biologisch abgebaut und es tritt sauberes Grundwasser aus.


UL9, OBP

UL9, das HSV-OBP, bildet in Lösung ein Dimer und zeigt mehrere biochemische Aktivitäten, darunter Nukleosidtriphosphatase, DNA-Helikase auf teilweise doppelsträngigen Substraten, unspezifische ssDNA-Bindung und kooperative Bindung an einen Replikationsursprung, der in Ward und Weller (2011) beschrieben wurde.Sieben konservierte Helikasemotive, die für die SF2-Helikasefamilie charakteristisch sind, befinden sich in der aminoterminalen Domäne von UL9 (zwischen den Resten 1�) und sind sowohl in vivo als auch für die in vitro ATPase- und Helikaseaktivitäten, die in Ward und Weller (2011) untersucht wurden, essentiell. . Die Domäne, die für die spezifische Ursprungsbindung (an wiederholten GTTCGCAC-Stellen) verantwortlich ist, liegt im Carboxyl-Terminus von UL9 (Reste 564�). Genauer gesagt wurde kürzlich gezeigt, dass ein konserviertes Sequenzelement in UL9, RVKNL (Aminosäuren 756�), für die ursprungsspezifische DNA-Bindung erforderlich ist (Olsson et al. 2009). Interessanterweise sind Reste in anderen Regionen des UL9-Proteins in der Lage, die ursprungsspezifische DNA-Bindungsaktivität von UL9 zu modulieren (Chattopadhyay und Weller 2006, 2007 Olsson et al. 2009). Obwohl der Carboxylterminus von UL9 Ursprungs-DNA mit einem ähnlichen Fußabdruck wie der von Volllängen-UL9 binden kann, kann er nicht die A/T-reiche verzerrte Struktur induzieren, die bei Volllängen-UL9 zu sehen ist, was darauf hindeutet, dass für die Kooperativität wichtige Sequenzen im Aminoterminus liegen (Rezension in Ward und Weller 2011). Basierend auf diesen Beobachtungen wurde angenommen, dass die aminoterminalen 534 Reste eine für eine effiziente Dimerisierung notwendige Region enthalten und dass UL9-Dimere eine Kopf-an-Kopf-Konfiguration annehmen. UL9-Dimere können jedoch in einer Kopf-Schwanz-Anordnung orientiert sein, bei der der Aminoterminus mit dem Carboxylterminus in Kontakt steht (Chattopadhyay und Weller 2007). Elektronenmikroskopische (EM) Untersuchungen von UL9, das an oriS gebunden ist, legen die Existenz eines auf oriS assemblierten Dimerpaares nahe (Makhov et al. 1996). Es wurde vorgeschlagen, dass eine Untereinheit des Dimers eine Pentanukleotid-Wiederholung der UL9-Erkennungsstelle in der Hauptfurche eines Strangs kontaktiert, während die andere Untereinheit die teilweise überlappende Pentanukleotidstelle des anderen Strangs kontaktiert (Aslani et al. 2002 Macao et al . 2004).

Zusätzlich zum Binden und Abwickeln von Duplex-DNA an den Replikationsursprüngen wurde berichtet, dass UL9 mit anderen viralen und zellulären Proteinen interagiert. Zum Beispiel wurde berichtet, dass UL9 mit ICP8, UL8 und UL42 interagiert (überprüft in Ward und Weller 2011). Es wurde berichtet, dass ICP8 die Helikase- und ATPase-Aktivitäten von UL9 stimuliert, und eine 13-Aminosäure-Sequenz (WPXXXGAXXFXXL) im äußersten Carboxyl-Terminus von UL9 wurde für diese Interaktion verantwortlich gemacht (Olsson et al. 2009). Es wurde auch berichtet, dass UL42 die 3′-to-5′ Helikaseaktivität von UL9 steigert, jedoch wurde die funktionelle Bedeutung der UL9–UL8 Interaktion nicht untersucht. Obwohl berichtet wurde, dass mehrere zelluläre Proteine ​​mit UL9 interagieren, darunter die große Untereinheit der DNA-Polymerase α, das menschliche neurale F-Box-42-kDa-Protein (NFB42 oder FBX2) und einige Hitzeschockproteine ​​(überprüft in Ward and Weller 2011) ist nicht klar, ob diese Interaktionen im Rahmen einer HSV-Infektion erforderlich sind.

Hilfsfaktoren, die für die virale DNA-Replikation nicht essentiell sind

Das HSV-1-Genom kodiert für mindestens sechs Proteine, die eine nicht essentielle Hilfsrolle bei der viralen DNA-Synthese spielen (Tabelle 1). Diese umfassen mehrere Enzyme, die an der Nukleotidbiosynthese und dem DNA-Stoffwechsel beteiligt sind: Thymidinkinase, Ribonukleotidreduktase, Desoxyuridintriphosphatase und Uracil-DNA-Glykolsylase (Tabelle 1). Thymidinkinase ist in den Herpesviren α und γ gut konserviert und dient der Phosphorylierung von Thymidin und anderen Nukleosiden, einschließlich antiviraler Verbindungen wie Acyclovir. Virale Thymidinkinase (TK) ist für das virale Wachstum in Zellkulturen oder in bestimmten Geweben in vivo nicht erforderlich. Ribonukleotid-Reduktase dient zur Erzeugung von Desoxyribonukleotiden, die für die DNA-Synthese wichtig sind, und besteht aus zwei Untereinheiten, RR1 und RR2, die beide für die enzymatische Aktivität benötigt werden. Neben der etablierten Rolle von RR1 als katalytische Untereinheit der Ribonukleotid-Reduktase, die für die Erzeugung von Desoxyribonukleotiden verantwortlich ist, hat die RR1-Untereinheit (auch als ICP6 bekannt) andere Aktivitäten gezeigt. Zum Beispiel wurde gezeigt, dass die RR1-Untereinheit sowohl von HSV-1 als auch von HSV-2 Zellen vor Apoptose schützt, indem sie mit Caspase-8-Rezeptor-wechselwirkendem Protein 1 (RIP1) interagiert und so die Abwehrmechanismen des apoptotischen Wirts stört (Chabaud et al. 2007 Dufour et al.). al. 2010). Darüber hinaus scheint RR1 eine ähnliche Chaperon-Aktivität wie kleine Hitzeschockproteine ​​zu zeigen (Chabaud et al. 2003). Schließlich fördert HSV-1 RR1 den Aufbau der Translationsinitiationsmaschinerie, was darauf hindeutet, dass ICP6 als eIF4F-Assembly-Chaperon fungieren kann (Walsh und Mohr 2006). Diese Beobachtungen unterstreichen die komplexe Evolution viraler Proteine, so dass sie während einer Infektion mehrere Rollen übernehmen können.

Tabelle 1.

HSV-DNA-Replikationsgene

GenAlternative AbkürzungHauptfunktionEssentiell für die DNA-Synthese in kultivierten Zellen
UL9OBPUrsprungsbindendes Protein, HelikaseJawohl
UL30PolKatalytische Untereinheit der DNA-PolymeraseJawohl
UL42 Prozessivitäts-Untereinheit der DNA-PolymeraseJawohl
UL5 Untereinheit von Helikase/Primase enthält Helikase-MotiveJawohl
UL8 Untereinheit der Helikase/Primase interagiert mit anderen ProteinenJawohl
UL52 Untereinheit von Helicase/Primase enthält Primase-MotiveJawohl
UL29ICP8Einzelstrang-DNA-bindendes Protein
Einzelstrang-Annealing-Protein
Jawohl
UL23TKThymidinkinaseNein
UL39RR1, ICP6Große Untereinheit der Ribonukleotid-ReduktaseNein
UL40RR2Kleine Untereinheit der RibonukleotidreduktaseNein
UL2UNGUracil-DNA-GlykosylaseNein
UL50dUTPaseDesoxyuridintriphosphataseNein
UL125′𠄳′ ExoAlkalische Nuklease interagiert mit ICP8
Virale Rekombinase
Nein

Andere von HSV-1 kodierte Hilfsfunktionen sind die Desoxyuridintriphosphatase (dUTPase) und Uracil-DNA-Glycosylase (UL2), die für das Viruswachstum in Zellkulturen nicht erforderlich sind, aber in sich nicht teilenden Zellen und in vivo schwerwiegendere Defekte zu zeigen scheinen (Übersicht in Ward und Weller 2011). Die kürzlich beschriebene Interaktion zwischen HSV-1 UL2 und Pol, die oben beschrieben wurde, könnte auf eine mögliche Rolle für die Basenexzisionsreparatur während der DNA-Replikation hinweisen (Bogani et al. 2010).

Die alkalische Nuklease von HSV (UL12) ist insofern ungewöhnlich, als sie nicht per se für die virale DNA-Synthese benötigt wird, sondern für die Produktion von infektiösem Virus essentiell ist. Obwohl neu synthetisierte virale DNA in Zellen nachgewiesen werden kann, die mit HSV-1-Mutanten, die in UL12 defekt sind, infiziert sind, ist ihre Struktur daher abweichend, was zu Verpackungsfehlern führt. UL12 ist in allen Herpesvirus-Genomen gut konserviert und evolutionär mit einer größeren Familie von 5′𠄳′ Exonukleasen verwandt, die eine wichtige Rolle in DNA-Viren von Bakterien, Pilzen, Säugetieren und Insekten spielen. UL12 interagiert mit HSV ICP8 sowie mehreren Komponenten der DNA-Reparaturmaschinerie des Wirts (Balasubramanian et al. 2010). Mögliche Rollen von UL12 im Viruslebenszyklus werden unten diskutiert.


5. Zusammenfassung und Zukunftsaussichten

Trotz der erheblichen Krankheitslast von OA und der damit einhergehenden Beeinträchtigung der Lebensqualität von OA-Patienten war die Entwicklung wirksamer Präventions- und Behandlungsmethoden für OA weitgehend erfolglos. Derzeitige Behandlungen beschränken sich immer noch auf eine Änderung des Lebensstils, physikalische Therapie, NSAIDs und den chirurgischen Gelenkersatz im Endstadium. Der langsame Fortschritt bei der Entwicklung neuer und wirksamer Therapieansätze wird in erster Linie auf unser unzureichendes Verständnis der Ätiologie und Pathogenese von OA zurückgeführt [255].

Ein verbessertes Verständnis der OA-Ursache und -Pathogenese ist entscheidend für die Identifizierung potenzieller therapeutischer Ziele, um die Entwicklung und das Fortschreiten der Krankheit zu verhindern. In diesem Review haben wir unser aktuelles Verständnis der OA-Pathogenese zusammengefasst. Es wird eine kurze Einführung in die Risikofaktoren für OA gegeben, da sie breit diskutiert und allgemein anerkannt sind. Wir haben uns auf die neuesten Fortschritte bei experimentellen Modellen und regulatorischen Pfaden konzentriert, die bei der Entstehung und Entwicklung von OA aktiv sind. Es ist klar, dass die Störung eines einzelnen bekannten regulatorischen Signalwegs unzureichend ist, um die Entwicklung von OA zu verhindern oder zu hemmen. Stattdessen müssen mehrere regulatorische Pfade sowie weitere vorgelagerte Ziele in Betracht gezogen werden. Eine mögliche Strategie besteht darin, multifunktionale Moleküle zu entwickeln, die mehrere Schlüsselwege oder -aktivitäten beeinflussen. Beispielsweise unterdrücken die Wnt-Inhibitoren wie XAV939 und Lorecivivint nicht nur entzündliche Aktivitäten, sondern fördern auch die Chondrogenese [94,256]. Darüber hinaus ist bekannt, dass diese Mittel die Osteogenese unterdrücken [239,257] und können somit möglicherweise die Osteophytenbildung reduzieren.

Valide experimentelle Modelle von OA sind von entscheidender Bedeutung, um die Erforschung von Krankheitsursachen und -mechanismen voranzutreiben, und fungieren als Plattform zum Screening und Testen potenzieller Therapeutika, wodurch ein rationales Arzneimitteldesign und -entwicklung erleichtert wird. Aufgrund der inhärenten Unterschiede zwischen den Arten in Physiologie, Anatomie, Genetik und Stoffwechsel ist die Erstellung von Tiermodellen, die alle Aspekte der menschlichen Krankheit getreu wiedergeben können, von Natur aus eine Herausforderung, die die Grundlagenforschung und die Übertragung in die klinische Anwendung behindert hat. Wie oben diskutiert, birgt die Integration mehrerer 3D-technischer Gelenkgewebekomponenten in ein funktionell relevantes MPS ein enormes Potenzial als die nächste Generation von OA-Modellen. Obwohl sich die Etablierung von Human-Joint-on-a-Chip noch in einem relativ frühen Stadium befindet, wurden bereits vielversprechende Daten gewonnen, die die Rekapitulation wichtiger physiologischer und pathologischer Merkmale, die in vivo beobachtet wurden, unterstützen. Wie in Abbildung 4 gezeigt, haben wir kürzlich einen Gewebechip entwickelt, der in der Lage ist, die Gewebekommunikation durch mikrofluidischen Fluss oder Diffusion nachzuahmen. Eine solche Fähigkeit ist entscheidend, um das (die) verfeinernde(n) Gewebeziel(e) bei der Arzneimittelentwicklung zu ermöglichen. Vor der vollständigen Validierung neuer OA-Modelle werden jedoch traditionelle Ansätze, einschließlich Tier- und 2D-Zellkulturen, weiterhin Zell- und molekulare Befunde mit physiologischen In-vivo-Reaktionen korrelieren.

Es gibt mehrere Herausforderungen, bevor MPS eine akzeptierte Plattform für die Entwicklung von krankheitsmodifizierenden OA-Medikamenten (DMOADs) wird. Insbesondere im Gelenkgelenk wirkt eine komplexe Mechanik, die nicht nur zu den nativen Funktionen des Gelenks gehört, sondern auch eine entscheidende Rolle bei der OA-Pathogenese spielt. Obwohl einige Tissue-on-a-Chip-Modelle entwickelt wurden, ist es keine einfache Aufgabe, den mechanischen Mechanismus in den Kontext des MPS zu integrieren. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sowohl systemische, insbesondere OA-assoziierte Schmerzen, als auch lokale Veränderungen an der OA-Progression beteiligt sind und in das MPS integriert werden müssen. Weitere Anforderungen sind die Validierung klinischer Relevanz, Standardisierungsprobleme und regulatorische Hürden, aber es ist sehr ermutigend, dass das Forschungsinteresse im Bereich Tissue/Organ-on-a-Chip rapide zunimmt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir, obwohl es derzeit keine DMOADs mit hoher Wirksamkeit, Spezifität, Potenz und Bioverfügbarkeit [258] gibt, mit wissenschaftlichen Fortschritten in der OA-Pathologie und experimentellen Modellen, die kontinuierlich gemacht werden, hoffentlich nicht weit von unserem Ziel entfernt sind, eine Heilung für . zu finden diese schmerzhafte und schwächende Krankheit.


Werden biochemische Reaktionen durch schwache Magnetfelder beeinflusst?

Die wissenschaftliche Literatur ist voll von Studien zum Einfluss schwacher Magnetfelder auf biologische Systeme. Häufig motiviert durch angebliche Gesundheitsgefahren der elektromagnetischen Streufelder, die mit der Verteilung und Nutzung von elektrischer Energie einhergehen, berichten die meisten dieser Artikel über eindeutige Auswirkungen. In den relativ wenigen Fällen, in denen eine unabhängige Replikation versucht wurde, erwiesen sich die ursprünglichen Ergebnisse jedoch in der Regel als nicht reproduzierbar (1, 2). Der Mangel an (bio)physikalischen Mechanismen, durch die schwache Magnetfelder mit der Biologie interagieren könnten, hilft der Situation nicht. Da es keinen hypothetischen Mechanismus gibt, der das experimentelle Design leitet, waren die meisten dieser Untersuchungen in unterschiedlichem Maße unbefriedigend. Eine auffallende Ausnahme ist eine Artikelserie von Anatoly Buchachenko und Dmitry Kouznetsov (BK) und ihren Mitarbeitern (3 – 6). In mehr als 10 Veröffentlichungen aus dem Jahr 2005, darunter eine in PNAS (3), hat BK über Wirkungen magnetischer Wechselwirkungen auf die Geschwindigkeit der enzymatischen Synthese von ATP in vitro berichtet. Diese Studien zeichnen sich dadurch aus, dass die berichteten Veränderungen groß sind, der Wechselwirkungsmechanismus physikalisch glaubwürdig ist, ein explizites Reaktionsschema vorgeschlagen wird und der Prozess selbst von beträchtlicher biologischer Bedeutung ist. Wenn sie echt und in vivo anwendbar sind, könnten diese Ergebnisse erhebliche therapeutische (wenn nicht gar gesundheitliche) Auswirkungen haben. Bei PNAS ist die Arbeit von Crotty et al. (7) beschreibt Versuche, die Ergebnisse von BK zu replizieren.

Die Umwandlung von ADP in ATP wird durch eine Reihe von Magnesium-abhängigen Enzymen katalysiert. Die Arbeiten von BK berichten, dass die Rate der ATP-Produktion durch vier Kinasen – ATP-Synthase, Phosphoglyceratkinase, Pyruvatkinase und Kreatinkinase – einen ungewöhnlichen und erheblichen Magnesiumisotopeneffekt aufweist (3, 4). Magnesium hat drei stabile Isotope: 24 Mg (79 %), 25 Mg (10 %) und 26 Mg (11 %). Anstelle einer monotonen Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Isotopenmassenzahl, die für den konventionellen kinetischen Isotopeneffekt zu erwarten wäre, zeigte sich, dass ATP in Gegenwart von 25 Mg mehr als doppelt so schnell gebildet wird wie in Gegenwart von beiden 24 mg oder 26 mg. Dieser Befund wurde als Signatur des Radikalpaarmechanismus (RPM) (8) genommen, bei dem magnetische Isotopeneffekte (MIEs) nicht aus der Masse, sondern aus dem magnetischen Moment des Atomkerns hervorgehen (9). Von den drei Isotopen sind aufgrund der Anzahl und Anordnung seiner Protonen und Neutronen nur 25 Mg magnetisch. Obwohl der MIE viel seltener als der kinetische Isotopeneffekt ist, ist er ein gut charakterisiertes Merkmal chemischer Umwandlungen mit Radikalpaaren als Übergangsreaktionszwischenstufen. Seit seiner Entdeckung durch Buchachenko im Jahr 1976 wurde es als Sonde für die Reaktionswege freier Radikale genutzt.

Eine etwas häufigere Manifestation des RPM ist die Empfindlichkeit von Radikalpaarreaktionen gegenüber externen Magnetfeldern (8, 10). Seit mehr als 30 Jahren als verantwortlich für eine Vielzahl magnetischer Effekte auf chemische Reaktionsgeschwindigkeiten und Ausbeuten anerkannt, wurde die Drehzahl in mehrere experimentelle Beobachtungen von biomolekularen Magnetfeldeffekten (MFEs) involviert. Obwohl es wenig Konkurrenz um den Titel gibt, ist die Drehzahl wohl der plausibelste Mechanismus, durch den schwache magnetische Wechselwirkungen biochemische Reaktionen beeinflussen könnten. Zur Unterstützung ihrer Interpretation der ATP-Daten fand BK heraus, dass der Unterschied in den Phosphorylierungsraten für die magnetischen und nichtmagnetischen Isotope von Mg von zweifach auf mehr als vierfach anstieg, wenn ein 80-mT-Magnetfeld angelegt wurde (5). Um diesen Befund in einen Kontext zu setzen, sind 80 mT etwa 1.000-mal stärker als das Erdmagnetfeld und etwa 100-mal schwächer als die stärksten Felder, die für die klinische MRT verwendet werden.

Der von BK (3) vorgeschlagene neuartige Reaktionsweg, der sowohl MIE als auch MFE erklärt, ist in Abb. 1 dargestellt Es wird angenommen, dass das Radikal den Elektronenspin des ersteren umdreht, was einen ansonsten unbedeutenden Reaktionsweg eröffnet und die katalytische Reaktion gegenüber der unproduktiven Rückreaktion begünstigt. Obwohl es bisher keine Hinweise darauf gegeben hat, dass die Oxidationsstufe +1 von Mg die ATP-Produktion vermitteln kann, und kaum Beweise dafür, dass Mg eine biologisch relevante Redoxchemie besitzt, kann die allgemeine Vorstellung, dass magnetische Kerne und angelegte Magnetfelder die kohärente Spindynamik von Radikalpaare und damit Reaktionsgeschwindigkeiten und Produktausbeuten beeinflussen, steht außer Zweifel (8).

Von BK vorgeschlagenes Reaktionsschema für die enzymatische Umwandlung von ADP zu ATP, hier gezeigt für Kreatinkinase. Bei Durchführung mit einem der nichtmagnetischen Magnesiumisotope, 24 Mg oder 26 Mg, verläuft die Reaktion hauptsächlich in den durch rote Pfeile gekennzeichneten Schritten. Der Elektronentransfer von ADP auf ein Mg 2+ -Ion im aktiven Zentrum des Enzyms führt zum (roten) [Mg •+ ADP •− ]-Radikalpaar. Die anschließende Reaktion des ADP-Radikals mit Phosphokreatin bildet ATP und Kreatin und regeneriert Mg 2+ . Da bei Radikalpaarreaktionen der Elektronenspin erhalten bleiben muss, wird das Radikalpaar in einem Singulett (S)-Zustand mit antiparallelen Elektronenspins (↓↑) erzeugt, einer in jedem Radikal. Der katalytische Vorwärtsprozess (rote Pfeile) konkurriert mit dem Elektronenrücktransfer (grauer Pfeil). Wenn 25 Mg verwendet wird, koppelt sein magnetisches Kernmoment an das magnetische Moment des Valenzelektrons von Mg •+ , wodurch das Singulett-Radikalpaar (rot) in seine Triplettform (T blau) umgewandelt wird, in der die Elektronenspins parallel sind (↑↑ ). Wie die kreisförmigen rot-blauen Pfeile andeuten, ist dieser Prozess kohärent und quantenmechanisch. Die Forderung, den Spindrehimpuls zu erhalten, bedeutet, dass das Triplett-Radikalpaar nicht direkt in die Reaktanten zurückkehren kann. Seine Bildung in Gegenwart von 25 Mg eröffnet daher einen zusätzlichen Vorwärtsreaktionsweg (blaue Pfeile) und erhöht die Rate der ATP-Produktion.

Die Replikationsstudie von Crotty et al. (7) konzentriert sich auf Kreatinkinase (CK), die Phosphokreatin und ADP in Kreatin und ATP umwandelt (7). Messungen der Reaktionsausbeuten und -geschwindigkeiten wurden unabhängig in Dublin und Colchester unter Verwendung verschiedener Techniken durchgeführt, um das gleiche Enzym (MM1-Typ CK) entweder aus Kaninchenmuskel (Dublin) oder menschlichem Herzen (Colchester) zu untersuchen. Erst nachdem ihre Experimente weitgehend abgeschlossen waren, wurden die beiden Gruppen auf die Arbeit des jeweils anderen aufmerksam und vereinbarten eine gemeinsame Veröffentlichung. Keine der beiden Gruppen ist in der Lage, die zweifache MIE in Umgebungsmagnetfeldern oder einem MFE zu beobachten, selbst wenn Felder mit einer Stärke von 1.000 mT verwendet werden. Die einzige nachweisbare MIE ist eine geringe (15%) Verringerung der ATP-Produktion, wenn 25 Mg anstelle von natürlichem Mg verwendet werden. Crottyet al. (7) argumentieren, dass es unwahrscheinlich ist, dass ihr Versagen, große Effekte zu finden, auf die verschiedenen Proteinquellen zurückzuführen ist [BK untersuchte ein monomeres CK-Isozym aus einem Schlangengift, während MM1-Varianten in der Arbeit von Crotty et al. dimerisch sind. (7)]. Die Replikationsstudie (7) reproduzierte die Bedingungen der ursprünglichen Experimente so genau wie möglich. Es scheint keine offensichtliche Erklärung für die Unreproduzierbarkeit der Ergebnisse von BK zu geben.

Es gab mindestens drei weitere negative Replikationsstudien von scheinbar robusten biologischen Radikalpaar-MFEs. Die Arbeiten von Jones et al. (11, 12) konnten für zwei Enzymreaktionen in vitro keine nennenswerten MFEs reproduzieren: die Umwandlung von Ethanolamin in Acetaldehyd durch das bakterielle Enzym Ethanolamin-Ammoniak-Lyase (13) und die Reduktion von Wasserstoffperoxid durch HRP (14). In beiden Fällen waren die in den Originalartikeln beschriebenen Änderungen der katalytischen Geschwindigkeiten groß, und die Chemie der Radikalpaare war offensichtlich plausibel. Der dritte Fall war ein erfolgloser Versuch von Harris et al. (15) um die Beobachtung zu wiederholen, dass das Wachstum von Arabidopsis thaliana Sämlinge wurden durch Magnetfelder von nur 500 μT signifikant beeinflusst (16). Die Autoren der drei Originalstudien (13, 14, 16) haben noch nicht in gedruckter Form geantwortet, in keinem Fall ist klar, warum eine unabhängige Replikation unmöglich war.

Es gab noch einige weitere Fälle, in denen Radikalpaare in einem biologischen Kontext aufgerufen wurden, aber einer insbesondere

Die Replikationsstudie von Crotty et al. konzentriert sich auf Kreatinkinase (CK), die Phosphokreatin und ADP in Kreatin und ATP umwandelt.

sticht heraus. Seit vielen Jahren wird eine Vielzahl von Radikalpaareffekten ausgenutzt, um die Energetik der Ladungstrennung und Energiestabilisierung in photosynthetischen Reaktionszentrumsproteinen zu beleuchten (17). Radikalpaare entstehen natürlich als Ergebnis photoinduzierter Elektronentransferreaktionen, aber in allen Fällen muss der Vorwärtselektronentransport künstlich blockiert werden, bevor RPM-Effekte beobachtet werden können. Obwohl es keinen Zweifel daran gibt, dass diese Effekte real sind, glaubt niemand ernsthaft, dass die Photosynthese in vivo magnetisch empfindlich sein könnte.

Gibt es also in der Biologie keine zuverlässigen Beispiele für Radikalpaareffekte? In den letzten 10 Jahren haben sich Beweise gehäuft, die den Vorschlag stützen, dass die Fähigkeit von Vögeln, die Richtung des Erdmagnetfelds (∼50 μT) zu erfassen, auf der Photochemie von Radikalpaaren beruht (18). Der wahrscheinlichste Magnetorezeptor-Kandidat für diesen Kompass ist das photoaktive Protein Cryptochrom, in dem in vitro nach Anregung mit blauem Licht anscheinend geeignete Flavin-Tryptophan-Radikalpaare gebildet werden (19). In diagnostischen Tests zur Beteiligung der Drehzahl wurde festgestellt, dass die Fähigkeit von Rotkehlchen, sich im Erdfeld zu orientieren, durch das Vorhandensein eines 1,3-MHz-Hochfrequenzmagnetfelds mit einer Stärke von nur 15 nT (d das Erdfeld) (20). Dieses Ergebnis deutet stark darauf hin, dass Radikalpaare bei der Magnetorezeption von Vögeln eine Rolle spielen, wenn auch nicht unbedingt als primärer Sensor, und ist so bemerkenswert, dass auch dieser dem Goldstandard der unabhängigen Replikation unterworfen werden muss.

Wenn Laboruntersuchungen von Radikalpaaren in biomolekularen Systemen reproduzierbare MFEs ergeben, sollte dieser Befund nicht als Hinweis auf einen ähnlichen Effekt auf zellulärer oder Gesamtorganismusebene verstanden werden. Bei den oben erwähnten Enzymreaktionen, einschließlich der ATP-Synthese (6, 7) werden magnetische Antworten nur unter unphysiologischen Bedingungen beobachtet. Mit der möglichen Ausnahme eines Radikalpaar-Magnetorezeptors, der sich vermutlich als äußerst empfindlich gegenüber schwachen Magnetfeldern entwickelt hätte, erscheint es angesichts der Effizienz der homöostatischen Pufferung derzeit unwahrscheinlich, dass die in vitro beobachteten Effekte selbst unter physiologischen Bedingungen bestehen bleiben in vivo.


OFFENLEGUNG/INTERESSENKONFLIKT

Dr. Kaddurah-Daouk ist Anteilseigner von Metabolon Inc., einem Biotechnologieunternehmen im Metabolomics-Bereich, und hält auch IP-Anteile in diesem Bereich. Sie hat Förder- oder Beratungshonorare für BMS, Pfizer, Astra Zeneca und Lundbeck erhalten. Dr. Krishnan war als Berater für Amgen, Bristol-Myer Squibb, CeNeRx, Corcept, GlaxoSmithKline, Johnson and Johnson, Lundbeck, Merck, Organon, Pfizer, Sepracor, Wyeth tätig. Darüber hinaus ist er Erfinder von Patenten im Bereich der Metabolomik.



Bemerkungen:

  1. Ulmar

    Können wir die Lücke füllen?

  2. Doura

    Vielen Dank für die Erklärung, jetzt werde ich es wissen.

  3. Zulkigar

    Ich bestätige. Und ich bin darauf getroffen.

  4. Dowan

    Ich schließe mich dieser komischen Meinung an



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