Adhesion and Survival Tools of the Bacterium Deinococcus geothermalis

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0282-9
Title: Adhesion and Survival Tools of the Bacterium Deinococcus geothermalis
Author: Liedert, Christina
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences, Division of microbiology and biotechnology
University of Oulu, Faculty of process and environmental engineering, bioprocess engineering laboratory; University of Greifswald, Institute of microbiology, Germany
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2014-11-28
Belongs to series: URN:ISSN:2342-5431
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0282-9
http://hdl.handle.net/10138/136166
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The known natural habitats of Deinococcus geothermalis are geothermal springs and deep ocean subsurfaces. The bacterium has also found its way to manmade environments, including paper machines and drinking water distribution systems, from which it is very difficult to remove due to its resistance towards industrial washing procedures, dehydration and even high doses of ionizing radiation. D. geothermalis attaches tightly on industrial, even microbially repellent, surfaces initiating slime accumulation. We show that the adhesion of D. geothermalis is mediated by outercellular appendages identified as glycosylated type IV pili. D. geothermalis is the first taxon member of the ancient phylum Deinococcus-Thermus, where glycosylated pili are reported. We propose that D. geothermalis is an obligate microaerobic bacterium. Proteomic analysis showed that D. geothermalis, when cultivated aerobically in nutrient limiting medium prevailing in nature, suffered from oxidative stress. Cells did not grow or respire, unless divalent manganese was supplied. As a novel finding, we reported that the cells secreted succinic acid to the medium, possibly as an end product of metabolic pathways directed to battle oxidative stress. The data suggests that D. geothermalis can grow in aerobic habitats, such as the splash areas of paper machines, when divalent manganese is available. Generation of biofilms may be a physiological response of D. geothermalis to escape atmospheric oxygen. Under aerobic conditions D. geothermalis was intolerant to sodium ions beyond 90 mM. Sodium may have inhibitory effect on V-type ATPases, which D. geothermalis uses as its sole mechanism of oxidative phosphorylation. The findings in this thesis offer novel antifouling strategies in processes where D. geothermalis is harmful: (1) destroying the pili by antifouling treatments; (2) promoting dispersal of D. geothermalis from the biofilm by environment-compatible procedures, such as providing process waters with manganese (0.5 mg L-1) or sodium ions (0.5 % w/v), or (3) by reducing dissolved oxygen to levels where D. geothermalis chooses to grow in suspended form rather than biofilms. Alternatively, the description of the D. geothermalis proteome, physiology and biofilm formation may be applied in the development of biotechnological applications where this robust, non-pathogenic and easy-to-culture bacterium is utilized for demanding jobs such as bioremediation of nuclear waste lands or as a resistant host to produce industrially relevant substances.Deinococcus geothermalis bakteerin luontaisia kasvuympäristöjä ovat kuumat lähteet ja valtameren syvänteet, mutta tämä bakteeri on löytänyt tiensä myös ihmisen tuottamiin ympäristöihin, kuten paperikoneille ja talousveden jakelujärjestelmiin. Bakteeri sietää hyvin tuotantolaitteiden puhdistukseen käytettyjä keinoja, kuten happohuuhteluja ja desinfioivia kemikaaleja, kuivatusta ja jopa ionisoivaa sädetystä. D. geothermalis tarttuu tiukasti teollisiin, jopa antimikrobiaaliseksi suunniteltuihin pintoihin. Osoitimme, että bakteerin tarttumaeliminä toimivat tyypin IV pilukset sekä solun pinnalla olevat sokerijohdannaiset. D. geothermalis on ikivanhan pääluokan, Deinococcus-Thermus, ensimmäinen laji, josta löydettiin piluksia. Ehdotamme, että D. geothermalis on mikroaerobinen bakteeri. Proteomiikka-analyysi paljasti, että matalaravinteisessa ympäristössä D. geothermalis kärsi happistressistä. Solujen kasvu ja hengitys pysähtyivät, ellei kasvualustaan lisätty mangaania. Solut erittivät ympäristöönsä meripihkahappoa, jota mahdollisesti syntyi jätteenä prosesseista, joilla solut suojautuivat taistelussa happistressiä vastaan. Tulokset indikoivat, että D. geothermalis tulee toimeen hapellisessa ympäristössä, kuten paperikoneiden roiskealueilla, vain jos mangaani-ioneja on saatavilla. Biofilmien tuotto voi D. geothermalis-bakteerille olla keino suojautua ilmakehän hapelta. Hapellisissa oloissa D. geothermalis sieti huonosti natriumsuoloja. Syynä saattoi olla energiakriisi seurauksena siitä, että natriumionit inhiboivat D. geothermaliksen hapelliseen ATP tuottoon käyttämää entsyymiä, V-ATPaasia. Tämän väitöskirjan tulokset avaavat uusia mahdollisuuksia torjua D. geothermalis prosesseissa, joissa siitä on haittaa: (1) antifouling toimenpiteet, joilla tuhotaan tarttumapilukset; (2) D. geothermaliksen biofilmien tuhoaminen ympäristöystävällisillä tavoilla, kuten lisäämällä prosessivesiin mangaania tai natriumia, tai (3) alentamalla prosessiympäristön happipitoisuus tasolle, jossa D. geothermalis suosii planktista kasvua biofilmin sijaan. Toisaalta tässä työssä kerätty D. geothermalis bakteerin proteomin, fysiologian ja biofilmin tuoton säätelyn tuntemus, tarjoaa toimintamalleja tämän kestävän, ei-patogeenin ja helposti viljeltävän bakteerin käyttöönottamiseksi haastaviin tehtäviin kuten ydinjätteillä saastuneiden maiden puhdistamiseen, sekä käyttöön tuotantomikrobina vähähappista mutta korkeaa lämpötilaa vaativiin fermentointeihin, joissa tuotetaan aineita teollisuuden tarpeisiin.
Subject: mikrobiologia ja bioteknologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record