Koncepcje biologii systemowej w badaniach nad - Eko-DOk

bioremediacja, mikrobiologia, biotechnologia,
biologia molekularna, bioinformatyka
Grzegorz PASTERNAK*
KONCEPCJE BIOLOGII SYSTEMOWEJ W BADANIACH NAD
BIOREMEDIACJĄ
Bioremediacja jako technologia oczyszczania terenów zdegradowanych działalnością o charakterze
antropogenicznym, stosowana jest od kilkudziesięciu lat. Podstawą do rozwoju tej technologii są
badania nad biodegradacją. Procesy zachodzące podczas bioremediacji są skomplikowane i podlegają
jednoczesnemu działaniu wielu czynników. Tradycyjne studia nad wpływem tych czynników mają
szereg ograniczeń w kontekście ich wykorzystania w praktyce. Zaangażowanie biologii systemowej
do badań nad bioremediacją stanowi nowoczesne podejście do rozwiązywania problemów
dotyczących interakcji pomiędzy biotycznymi i abiotycznymi składnikami środowiska. W niniejszym
artykule przybliżono podstawowe problemy badawcze oraz metody wykorzystywane w systemowym
podejściu do bioremediacji, których wykorzystanie umożliwić może opracowanie skutecznych
strategii w bioremediacji terenów zdegradowanych.
1. WSTĘP
Bioremediacja jest techniką, która wykorzystuje zjawiska o podłożu biologicznym
w celu usunięcia zanieczyszczeń o charakterze organicznym lub nieorganicznym
z gruntu lub wód gruntowych. Techniką, która swój rozwój zawdzięcza takim
dziedzinom nauki jak mikrobiologia, inżynieria środowiska oraz biotechnologia. Za
dość ogólnikowym sformułowaniem definicji bioremediacji, kryją się
interdyscyplinarne badania nad jej rozwojem.
Potrzeba wykorzystywania bioremediacji wynika z potrzeb ludności w zakresie
wykorzystania gruntów oraz wód gruntowych, a także z uwarunkowań prawnych. Na
podstawie zestawienia kosztów bioremediacji oraz innych technik oczyszczania
skażonych terenów stwierdzić można, że technika ta jest najbardziej opłacalna dla
__________
*
Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej, Zakład Biologii i Ekologii, pl.
Grunwaldzki 9, 50-370 Wrocław, [email protected].
502
Koncepcje biologii systemowej w badaniach nad biodegradacją
dużej liczby przypadków. Koszty bioremediacji w Stanach Zjednoczonych oraz
Wielkiej Brytanii wynosiły 9-286 USD/m3, podczas gdy składowanie (które nie
rozwiązuje problemu zanieczyszczenia gleby) 12-163 USD/m3, natomiast koszty
spalania dochodziły do 2150 USD/m3 [2]. Z uwagi na niskie koszty oczyszczania
z wykorzystaniem metod biologicznych, bioremediacja budzi powszechne
zainteresowanie badaczy.
Na skuteczny przebieg procesów biodegradacji wpływ ma wiele czynników takich
jak obecność mikro- i makroelementów, biodostępność zanieczyszczeń, obecność
łatwo dostępnych źródeł węgla, skład gatunkowy mikroorganizmów, warunki
środowiskowe, odczyn czy warunki redoks.
Znajomość interakcji zachodzących podczas procesów biologicznych jest
kluczowym elementem opracowania skutecznej metody bioremediacji. Interakcje te
zachodzą na poziomie ekosystemu, konsorcjów bakteryjnych, komórkowym
i molekularnym. W środowisku naturalnym występuje skomplikowana sieć zależności
pomiędzy poszczególnymi poziomami, a ich zrozumienie jest istotne w kontekście
rozwoju nowoczesnych metod oczyszczania gruntów i wód podziemnych. Większa
kontrola nad procesem biodegradacji pozwoliłaby uniknąć ryzyka związanego
z powstawaniem bardziej toksycznych produktów metabolizmu zanieczyszczeń,
a także zwiększyć efektywność oczyszczania. Zasadniczym problemem są jednak
koszty związane z badaniami nad biodegradacją, zwłaszcza kiedy badania te
reprezentują podejście systemowe. Prowadzenie tego typu badań wiąże się
z zaangażowaniem nowoczesnych metod obejmujących transkryptomikę, proteomikę,
metabolomikę, fenomikę oraz lipidomikę [3].
Celem niniejszej pracy jest przybliżenie zagadnień związanych z najnowszym
trendami nauki w zakresie biologii systemowej w badaniach nad biodegradacją oraz
bioremediacją.
2. INTERAKCJE ZACHODZĄCE PODCZAS BIODEGRADACJI
Biodegradacja zachodząca w środowisku naturalnym stanowi dużo bardziej
skomplikowane zagadnienie, niż wynikałoby to z typowych studiów nad
biodegradacją modelowego związku z wykorzystaniem czystych kultur
mikrobiologicznych. Takie konwencjonalne podejście do zagadnień związanych
z bioremediacją, dostarcza cennych informacji o charakterze podstawowym, niemniej
jednak możliwości jej wykorzystania w środowisku są w pewien sposób ograniczone.
Środowisko, a zwłaszcza gleba jako układ trójfazowy jest przestrzenią interakcji
pomiędzy czynnikami biotycznymi oraz abiotycznymi. W takich warunkach
katabolizm związków chemicznych jest trudny do przewidzenia oraz trudny do
kontrolowania. Podczas bioremediacji, najbardziej złożone interakcje zachodzą na
Koncepcje biologii systemowej w badaniach nad biodegradacją
503
poziomie ekosystemu (rysunek 1.). Wśród najważniejszych czynników, których udział
będzie wpływał na procesy biodegradacji w gruncie, wymienić należy warunki
hydrogeologiczne, warunki meteorologiczne, skład i strukturę gleby, skład i stężenie
związków zanieczyszczających glebę oraz pozostałych związków organicznych
w glebie. Wszystkie te czynniki oddziałują na przemiany abiotyczne a także na
pozostałe poziomy wchodząc w interakcję z czynnikami biotycznymi.
Oddziaływania na poziomie ekosystemu wpływają na strukturę społeczności
mikroorganizmów. Wpływ na liczebność przedstawicieli poszczególnych taksonów
mogą mieć wszystkie wymienione przy okazji ekosystemu czynniki. Do interakcji
dochodzi też pomiędzy poszczególnymi mikroorganizmami. Dochodzić wówczas
może zarówno do stymulacji wzrostu poszczególnych grup (zatem symbiontycznych
form współżycia) jak i hamowania wzrostu (antagonizm bakteryjny). Klasycznym
przykladem ograniczania liczebności innych grup mikroorganizmów jest produkcja
antybiotyków przez bakterie z rodzaju Streptomyces, powszechnie występujące
w środowisku glebowym. Z drugiej jednak strony produkcja antybiotyków prowadzić
może również do uodparniania się na nie drobnoustrojów bytujących w glebie.
Badania zespołu D’Costa i wsp. [4] dowiodły, że mechanizm ten jest szeroko
rozpowszechniony. Spośród 480 szczepów Streptomyces sp. wyizolowanych
z różnych środowisk, wszystkie wykazywały oporność na przynajmniej jeden
antybiotyk, którego same nie biosyntezowały.
EKOSYSTEM
KOMÓRKA
GENOM
Kierunek interakcji
POPULACJA
Stopień złożoności
MIKROBIOCENOZA
METABOLOM
Rys. 1. Schemat interakcji zachodzących w środowisku naturalnym podczas procesów biodegradacji. Na
podstawie [3,5].
504
Koncepcje biologii systemowej w badaniach nad biodegradacją
Podczas bioremediacji bardzo duży wpływ na aktywność, liczebność oraz skład
konsorcjów mikroorganizmów może mieć powstawanie toksycznych lub
mutagennych produktów pośrednich oraz końcowych w szlakach biodegradacji.
Wzrost mutagenności notowano dla odcieków z pryzmy podczas kompostowania,
w której neutralizowano związki nitroaromatyczne [8]. Wyższą ekotoksyczność
notowano również podczas biodegradacji karbazolu, w modelowym układzie [10].
W nieodpowiednich warunkach powstające metabolity stanowić mogą zatem czynnik,
który warunkuje przebieg biodegradacji. Innym rodzajem interakcji jest powstawanie
metabolitow, które mogą stymulować proces biodegradacji dzięki zjawisku
kometabolizmu. Dochodzi wówczas do indukcji biosyntezy enzymow np. dzięki
odblokowaniu operonów biorących udział w biodegradacji. Powstały enzym
uczestniczy w biodegradacji substancji, której obecność oraz struktura nie prowadzą
do indukcji biosyntezy tego enzymu. Takie zjawisko obserwowane było podczas
biodegradacji 3,4-dichlorobenzoesanu [1], którego biotransformacja przez
Acinetobacter sp. 4-CB1 zachodziła przy udziale 4-chlorobezoesanu, pochodzącym ze
szlaku degradacji 4-chlorobifenylu, przy udziale szczepów z rodzaju Pseudomonas
[7].
Mechanizmy warunkujące oddziaływania na poziomie społeczności wpływają
zatem na zjawiska na poziomie komórkowym i molekularnym. Uwzględniając szereg
innych procesów, takich jak np. horyzontalny transfer genów, do którego dochodzi
w środowiskach zanieczyszczonych, interakcje te można poszeregować wg stopnia
złożoności. Schemat, na którym przedstawiono powiązania pomiędzy poszczególnymi
poziomami w kontekście badań nad bioremediacją przedstawiono na rysunku 1.
2. METODY BADAWCZE
Opracowanie skutecznych metod bioremediacji nie byłoby możliwe, bez rozwoju
wiedzy w obszarze badań nad biodegradację. Badania naukowe reprezentujące
podejście biologii systemowej mogą prowadzić do zwiększenia kontroli nad
bioremediacją, jednak ich prowadzenie jest skomplikowane i kosztowne.
Wykorzystanie biologii systemowej wiąże się z wykorzystaniem nowoczesnych metod
badawczych, sporej ilości próbek, oraz analizy dużej liczby danych
eksperymentalnych.
Zmiany na poziomie ekosystemu wymagają zaangażowania metod monitoringu
fizyko-chemicznego, sejsmicznego oraz modelowania. Zmiany w strukturze
zbiorowości mikroorganizmów tworzących mikrobiocenozę, wymagają m.in.
znajomości wykorzystania technik biologii molekularnej. Najczęściej stosowanymi
technikami metagenomiki w środowiskach zanieczyszczonych są PCR, qPCR oraz
tworzone z ich wykorzystaniem biblioteki genów kodujących 16S rRNA [12]. Metody
Koncepcje biologii systemowej w badaniach nad biodegradacją
505
qPCR oraz klonowanie wykorzystywane są również do oceny aktywności na poziomie
populacji, jednak za najbardziej rozpowszechnione i jednocześnie najtańsze uważa się
testy aktywności enzymatycznej [9].
Najszybszym, ale jednocześnie najdroższym narzędziem do studiowania potencjału
genetycznego szczepów wykorzystywanych w biodegradacji jest sekwencjonowanie.
W roku 2008 w bazach NCBI zdeponowane były sekwencje prawie 800 genomów
szczepów bakteryjnych [5]. Dostępność informacji na temat genów odpowiedzialnych
za szlaki metabolizmu ksenobiotyków umożliwia prowadzenie prac nad markerami
biodegradacji, które mogą być wartościowym elementem badań nad sieciami
biodegradacyjnymi.
Badania nad metabolomem są relatywnie mniej skomplikowane, w kontekście tzw.
poziomów omicznych (wśród których wyróżnić można również genomikę,
transkryptomikę, proteomikę), z uwagi na wykorzystanie znanych metod chemii
analitycznej. Metody badawcze obejmują tzw. profilowanie metaboliczne (ocena
ukierunkowana na konkretny szlak metabolizmu), wyznaczanie metabolicznych
odcisków palców (ocena wszystkich metabolitów wewnątrzkomórkowych) oraz
wyznaczanie metabolicznych odcisków stóp (ocena wszystkich metabolitów
zewnątrzkomórkowych. Do oceny metabolomu stosuje się głównie techniki GC/MS,
LC/MS oraz CE/MS, a najczęściej stosowanym podejściem jest profilowanie
metaboliczne [6].
Dane pochodzące z eksperymentów wymagają rozbudowanej analizy
bioinformatycznej. Dzięki analizie, interakcje zachodzące pomiędzy poszczególnymi
elementami tej rozbudowanej sieci zależności, umożliwią wyłonienie kluczowych
elementów determinujących strategię bioremediacji. Za przykład takiego podejścia
posłużyć mogą badania Pazos i wsp. [11], celem ich pracy było stworzenie oraz
analiza uniwersalnego modelu sieci biodegradacji, której podstawę stanowiły dane
z bazy UMBD dotyczące szlaków biodegradacji, enzymów oraz mikroorganizmów,
które w niej uczestniczą.
3. PODSUMOWANIE
Wykorzystanie biologii systemowej do badań nad biodegradacją umożliwić mogą
opracowanie skutecznych strategii bioremediacji. Zaangażowanie rozbudowanej
metodyki badań oraz analizy bioinformatycznej wiąże się jednak z szeregiem
utrudnień. Do podstawowych czynników limitujących rozwój tej dziedziny nauki
zaliczyć należy koszty oraz brak przyjaznych użytkownikowi narzędzi do analizy
bioinformatycznej, które podołają takiemu zadaniu. Wraz z rozwojem
i upowszechnieniem metod badawczych, ograniczenia te powinny jednak zostać
zminimalizowane.
506
Koncepcje biologii systemowej w badaniach nad biodegradacją
LITERATURA
[1]
ADRIAENS P. and D. D. FOCHT, Cometabolism of 3,4-dichlorobenzoate by Acinetobacter sp.
strain 4-CB1, Applied and Environmental Microbiology, Vol. 57, 173-179 (1991).
[2] R. M. Atlas and J. Philip, Bioremediation: applied microbial solutions for real-world
environmental cleanup, R. M. Atlas and J. Philip, eds., (ASM Press, Washington, DC, 2005).
[3] CHAKRABORTY R., C. H. WU, and T. C. HAZEN, Systems biology approach to bioremediation,
Current Opinion in Biotechnology, Vol. 23, 483-490 (2012).
[4] D'COSTA V.M., K. M. MCGRANN, D. W. HUGHES, and G. D. WRIGHT, Sampling the
Antibiotic Resistome, Science, Vol. 311, 374-377 (2006).
[5] DE LORENZO V.+., Systems biology approaches to bioremediation, Current Opinion in
Biotechnology, Vol. 19, 579-589 (2008).
[6] DETTMER K., P. A. ARONOV, and B. D. HAMMOCK, Mass spectrometry-based metabolomics,
Mass Spectrometry Reviews, Vol. 26, 51-78 (2007).
[7] FUKUDA M., Y. YASUKOCHI, Y. KIKUCHI, Y. NAGATA, K. KIMBARA, H. HORIUCHI, M.
TAKAGI, and K. YANO, Identification of the bphA and bphB Genes of Pseudomonas sp. Strain
KKS102 Involved in Degradation of Biphenyl and Polychlorinated Biphenyls, Biochemical and
Biophysical Research Communications, Vol. 202, 850-856 (1994).
[8] JARVIS A.S., V. A. MCFARLAND, and M. E. HONEYCUTT, Assessment of the Effectiveness of
Composting for the Reduction of Toxicity and Mutagenicity of Explosive-Contaminated Soil,
Ecotoxicology and Environmental Safety, Vol. 39, 131-135 (1998).
[9] KALAM A., J. TAH, and A. K. MUKHERJEE, Pesticide effects on microbial population and soil
enzyme activities during vermicomposting of agricultural waste, Journal of Environmental Biology,
Vol. 25, 201-208 (2004).
[10] PASTERNAK G. and B. KOŁWZAN, Surface tension and toxicity changes during biodegradation
of carbazole by newly isolated methylotrophic strain Methylobacterium sp. GPE1, International
Biodeterioration & Biodegradation (2012).
[11] PAZOS F., A. VALENCIA, and V. DE LORENZO, The organization of the microbial
biodegradation network from a systems-biology perspective, Embo Reports, Vol. 4, 994-999
(2003).
[12] WANG P., Y. Y. QU, and J. T. ZHOU, Changes of microbial community structures and functional
genes during biodegradation of phenolic compounds under high salt condition, Journal of
Environmental Sciences-China, Vol. 21, 821-826 (2009).
SYSTEMS BIOLOGY CONCEPT IN BIODEGRADATION STUDIES
Bioremediation, defined as technology for de-pollution of areas affected by anthropogenic activity, is
widely used for decades. To develop this technology, detailed biodegradation studies were conducted
in laboratories by many researchers. However, the processes occurring during bioremediation are
complicated and simultaneously affected by many factors. Therefore, the classic approach for
bioremediation studies might be insufficient and emerging field of systems biology in bioremediation
studies is being developed. In this paper, the basic problems, limitations and profits of systems
biology approach is presented. This modern field of science might be invaluable to predict the
microbial reaction during bioremediation.