2.2.4.1 Cellulose toơng hợp ở màng tê bào vi khuaơn
Cellulose được toơng hợp tređn các loê ở beă maịt tê bào có kích thước khoạng 3,5nm ( hình 2.6).
Hình 2.6 Câu táo moơt loê tiêt cellulose[97].
Các loê này được saĩp xêp thành moơt hàng dài, moêi loê bao phụ moơt hát có kích thước 10 nm. Hát này bao goăm những enzyme toơng hợp cellulose có lieđn quan trong phạn ứng polymer hóa (AcsAB) và moơt vài enzyme hoê trợ có lieđn quan đên những chức naíng khác (AcsC, AcsD). Moêi hát tređn sẽ sạn xuât ra
AcsD
AcsAB AcsC
moơt chuoêi glucan, các chuoêi này táo thành sợi caín bạn, các sợi caín bạn kêt hợp lái thành vi sợi phun vào trong mođi trường nuođi cây [ 72-74,80-82].
2.2.4.2 Enzyme toơng hợp cellulose vi khuaơn
Các gen Acs AB, acs C, acs D cùng naỉm trong moơt operon mã hóa đốn polypeptid 168 kDa, protein này có chức naíng là enzyme toơng hợp cellulose. Gen acsC và acs D mã hóa các đốn polypeptid 138 kDa và 17 kDa. Protein từ acs C và acs D khođng có chức naíng enzyme nhưng cũng tham gia toơng hợp cellulose dưới dáng táo phức chât với những enzyme có hốt tính. Đốn polypeptid AcsAB 168kDa tách thành 2 đốn 83 kDa và 93 kDa. Đốn 83 kDa có chức naíng là tieơu đơn vị xúc tác và đốn 93 kDa chính là nucleotid vòng c- di-GMP tham gia hốt hóa enzyme toơng hợp cellulose. Nhađn tô hốt hóa này phú thuoơc vào hốt đoơng cụa enzyme phosphodiesterase. Gen mã hóa diguanilate cyclase và phospho-diesterase đã được xác định và chúng naỉm trong cùng moơt operon. Những protein được mã hóa bởi những enzyme tređn sẽ táo thành các phức chât naỉm trong tê bào chât với những vùng xuyeđn màng đeơ tham gia toơng hợp cellulose. Vùng protein này được xác định có hình caău, goăm 285 acid amin, bao goăm 10 chuoêi thẳng và 8 chuoêi xoaĩn, hai chuoêi này xêp khođng xen kẽ nhau và bị caĩt ngang bởi các nút dài [13,63,73,77-79,97].
Quá trình sinh toơng hợp BC là moơt tiên trình bao goăm nhieău bước được đieău hoà moơt cách chuyeđn bieơt và chính xác baỉng moơt heơ thông chứa nhieău lối enzyme, phức hợp xúc tác và các protein đieău hòa ( hình 2.7)ø.
Các enzyme tham gia vào quá trình sinh toơng hợp cellulose vi khuaơn bao goăm :
1PFK: fructose-1-phosphate kinase. PGI: phosphoglucoisomerase. PGM: phosphoglucomutase. PTS: heơ thông phosphotransferase. UGP: UDP-glucose pyrophosphorylase. Fru-bi-P: fructose-1,6-bi-phosphate. Fru-6-P: fructose-6-phosphate. Glc-6-P: glucose-6-phosphate.
Glc-1-P: glucose-1-phosphate. PGA: phosphogluconic acid. UDPGlc: uridine diphosphoglucose. CS: cellulose synthase. GK: glucokinase. FK: fructokinase.
FBP: fructose-1,6-biphosphate phosphatase. G6PDH: glucose-6-phosphate dehydrogenase.
Hình 2.7 Sơ đoă các con đường toơng hợp cellulose bởi A.xylinum [59,60,100].
2.2.4.3 Quá trình sinh toơng hợp cellulose vi khuaơn
Quá trình sinh toơng hợp cellulose vi khuaơn goăm nhieău phạn ứng lieđn tiêp nhau, được thực hieơn bởi sự tham gia cụa moơt heơ các enzyme[23].
* Hai giai đốn chính sinh toơng hợp cellulose vi khuaơn
Giai đốn polymer hoá:
Đaău tieđn enzyme glucokinase (GK) xúc tác phạn ứng phosphoryl hoá chuyeơn glucose thành glucose-6-phosphate. Enzyme phosphoglucomutase tiêp túc chuyeơn hoá glucose-6-phosphate thành glucose-1-phosphate thođng qua phạn ứng isomer hoá. Glucose-1-phosphate nhờ enzyme UDP-glucose pyrophospholyase chuyeơn hoá thành UDP-glucose. Cuôi cùng, UDP-glucose được toơng hợp neđn sẽ được polymer hoá thành cellulose và cellulose được tiêt ra mođi trường ngối bào nhờ moơt phức hợp protein màng là cellulose synthase. Enzyme này được hốt hoá nhờ moơt nucleotide vòng là cyclic-di-GMP.
Moơt sô chụng vi khuaơn A.xylinum có khạ naíng sử dúng đường fructose hieơu quạ hơn. Heơ thông enzyme phosphotransferase sẽ chuyeơn fructose thành fructose-1-phosphate. Sau đó fructose-1-phosphate sẽ được chuyeơn hoá thành fructose-bi-phosphate nhờ enzyme fructose-1-phosphatekinase. Enzyme phosphoglucose isomerase có hốt tính cao, sẽ giúp chuyeơn hoá fructose-6- phosphate thành glucose-6-phosphate. Glucose-6-phosphate lái tham gia vào quá trình chuyeơn hoá tương tự như tređn đeơ táo ra cellulose[89].
Giai đốn kêt tinh:
Các chuoêi glucan được nôi với nhau nhờ lieđn kêt β-1,4-glucan. Trong đó các chuoêi glucan kêt hợp táo thành lớp chuoêi glucan nhờ lực lieđn kêt yêu Van Der Waals. Lớp chuoêi glucan này chư toăn tái trong moơt thời gian ngaĩn, sau đó chúng kêt hợp với nhau baỉng lieđn kêt hydro táo thành các sợi cơ bạn goăm 16 chuoêi glucan. Các sợi cơ bạn tiêp túc kêt hợp với nhau táo thành các vi sợi,sau đó các vi sợi lái tiêp túc kêt hợp với nhau táo thành các bó sợi.
Hình 2.8 Con đường toơng hợp cellulose từ cơ chât glucose [15]. 2.2.4.4 Ý nghĩa cụa quá trình sinh toơng hợp cellulose vi khuaơn
Phaăn lớn tê bào trong mođi trường tĩnh, A.xylinum khođng di đoơng do chúng naỉm beđn trong lớp màng cellulose. Đieău này làm cạn trở nghieđn cứu veă quá trình chuyeơn hoá, vaơn chuyeơn chât dinh dưỡng và oxy đên tê bào.
Lớp màng cellulose do vi khuaơn A.xylinum táo ra bao xung quanh mođi trường hán chê nguoăn oxy từ beđn ngoài vào mođi trường, đieău này ngaín cạn sự cung câp oxy cho các vi khuaơn hiêu khí khác, táo đieău kieơn thuaơn lợi cho quá trình cánh tranh sinh toăn cụa vi khuaơn A.xylinum.
Màng cellulose có khạ naíng giữ nước neđn giúp cho vi khuaơn phađn huỷ các chât dinh dưỡng đeơ sử dúng và giúp tê bào chông lái ạnh hưởng cụa tia UV. Nhờ tính dẹo dai và tính thâm nước cụa các lớp cellulose mà các tê bào vi khuaơn kháng lái được những thay đoơi khođng thuaơn lợi trong mođi trường sông như giạm aơm đoơ, thay đoơi pH, xuât hieơn các đoơc chât. Các vi khuaơn A.xylinum có theơ taíng trưởng và phát trieơn beđn trong lớp vỏ bao. Thực nghieơm chư ra raỉng cellulose bao quanh tê bào vi khuaơn bạo veơ chúng khỏi tia cực tím. Khoạng 23% sô tê bào
A.xylinum được bao bĩc bởi BC sông sót sau 1 giờ xử lý bởi tia cực tím. Khi tách BC ra khỏi tê bào, khạ naíng sông cụa tê bào giạm chư còn khoạng 3%.
Máng lưới BC là giá theơ chông đỡ cho vi khuaơn A.xylinum luođn ở beă maịt tiêp giáp giữa mođi trường lỏng và khođng khí (hình 2.1). Chính máng lưới polymer này làm cho các tê bào có theơ bám chaịt tređn beă maịt mođi trường và làm tê bào thađu nhaơn chât dinh dưỡng moơt cách deê dàng hơn so với khi tê bào ở trong mođi trường lỏng khođng có máng lưới cellulose [14,23,25,36 ]. Trong mođi trường tự nhieđn, đa sô vi khuaơn toơng hợp các polysaccharide ngối bào đeơ hình thành neđn lớp vỏ bao quanh tê bào và màng BC là moơt đieơn hình.
Moơt vài nghieđn cứu còn cho thây, cellulose được toơng hợp bởi A.xylinum còn đóng vai trò tích trữ và có theơ sử dúng khi vi sinh vaơt này bị thiêu dinh dưỡng. Sự phađn hụy cellulose được xúc tác bởi enzyme exo- hay endo-glucanase. Các enzyme exo- hay endo-glucanase phađn huỷ cellulose được phát hieơn trong dịch nuođi cây ở moơt vài chụng A.xylinum sạn xuât cellulose [46,54,88].