Cellulomonas

Cellulomonas ist eine Gattung stäbchenförmiger, aerober oder fakultativ anaerober Bodenbakterien mit einem chemoorganotrophen Stoffwechsel (Chemoorganotrophie). Sie sind katalasepositiv und werden zu den grampositiven Bakterien gezählt, sind aber trotzdem leicht zu entfärben. Cellulomonas-Kulturen sind meist undurchsichtig, gelb pigmentiert und konvex. Die Fortbewegung erfolgt durch eine oder mehrere Flagellen. Die wichtigsten Lebensräume sind der Erdboden und zersetztes pflanzliches Material. Ein optimales Wachstum findet bei einer Temperatur von 30 °C und einem pH-Wert zwischen 9 und 10 statt.

Taxonomie

Bereits 1923 wurde die Gattung Cellulomonas von David H. Bergey et al. erstmals als gramnegative Bakterien beschrieben. Später hat sich herausgestellt, dass sie grampositiv, allerdings sehr leicht entfärbbar sind. Bis heute sind 18 verschiedene Arten dieser Gattung bekannt,^[1][2] von denen Ce. flavigena die Typusart darstellt, welche das JGI (Joint Genome Institute) komplett^[3] sequenziert hat. Das Genom enthält 3785 Gene.^[4] DNA-DNA-Hybridisierungs-Studien und Untersuchungen der ribosomalen 16S-rRNA zeigten, dass die Gattung Oerskovia auch zu Cellulomonas gezählt werden kann.^[5]

Stoffwechsel

Cellulomonas haben entweder einen oxidativen oder fermentativen Stoffwechsel. Die meisten Arten produzieren sowohl aerob, als auch anaerob Säure aus Glucose, Maltose, Saccharose, Xylose und Lactose. Cellulomonas ist in der Lage, Cellulose (durch Cellulase), Stärke und Gelatine zu hydrolysieren. Außerdem reduzieren sie Nitrat zu Nitrit und produzieren DNasen.

Cellulosezersetzung

Cellulosemoleküle sind Ketten aus Glucosemolekülen. Die Grundeinheit ist das Disaccharid Cellobiose. Cellulose besteht aus dem amorphen (ungeordnetem) und dem kristallinen (geordneten) Bereich.

Cellulasen zersetzen (hydrolysieren) die Bindungen der Cellobiosen. Sie sind mit der Zelloberfläche von Cellulomonas verbunden, damit die löslichen Spaltprodukte rasch aufgenommen werden können. Um eine möglichst große Reaktionsfläche zu erhalten, lagern sich die Bakterien mit ihrer Längs-Körperachse parallel zur Cellulosefibrille an.

Es gibt zwei verschiedene Grundtypen von Cellulasen: Ein Enzymkomplex ist fest mit dem Bakterium verbunden, während sich der andere frei im Extrazellular-Raum befindet. Cellulomonas flavigena wendet beide Methoden an.

Cellulasen bilden eine ganze Enzymfamilie:

1. Endoglucanasen spalten zuerst die amorphen wasserzugänglichen Bereiche der Cellulose.
2. Exoglucanasen trennen dann die so freigelegten Enden vom nicht reduzierenden Ende her in Tri- und Disaccharideinheiten auf.
3. Cellobiasen lösen schließlich noch die Cellobiosen in ihre einzelnen Glucosemoleküle auf.

Cellobiose und Glucose werden schlussendlich in die Zelle aufgenommen.

Die aufgenommenen Disaccharide können dann noch durch die Cellobiosephosphorylase zerlegt werden, ohne dass ATP benötigt wird:

Cellobiose + Phosphat → Glucose-1-phosphat + Glucose

Hemicellulose-Zersetzung

Hemicellulose ist ein alkalilösliches Polysaccharid und besteht aus drei Hauptzuckerkomponenten (Xylane, Mannane, Galactane), sowie zahlreiche Seitengruppen wie Acetylester, Methylether, Uronsäure. Im Unterschied zu Cellulose ist anstelle der Hexose β-D-Glucose die Pentose β-D-Xylose, bei der die C6-Gruppe durch ein H-Atom ersetzt wird.

Hemicellulose ist leichter abbaubar und wasserlöslicher als Cellulose, da sie kürzere Ketten bildet, verzweigt und nicht kristallin ist. Den Hauptbestandteil bilden Xylane, die durch Xylanasen abgebaut werden können. Für die Abspaltung der Seitengruppen werden andere Enzyme benötigt. Hauptprodukte des Abbaus sind β-D-Xylolose und das Disaccharid Xylobiose.

Abbildungen

• DOE, Joint Genome Institute (13. Februar 2011 18:00)
• Cellulomonas aerilata sp. nov., isolated from an air sample (14. Februar 2011 09:42)
• Simon Bálint: Bewertung von festen Rohstoffen aus der biologischen Behandlung von Biomasse. (PDF; 682 kB) S. 20, 13. Februar 2011

Literatur

• David Hendricks Bergey, John G. Holt: Bergey’s manual of determinative bacteriology. 1994, ISBN 0-683-00603-7, S. 575
• Washington C. Winn, Elmer W. Koneman: Koneman’s color atlas and textbook of diagnostic microbiology. 2006, ISBN 0-7817-3014-7, S. 826
• Ernst-Detlef Schulze, Harold A. Mooney: Biodiversity and ecosystem function. 1994, ISBN 3-540-58103-0, S. 76
• Hans Günther Schlegel, Georg Fuchs: Allgemeine Mikrobiologie. 2006, ISBN 3-13-444608-1, S. 289

Weblinks

• JGI, Adopt a Genome for Education 10. Februar 2011.
• International journal of systematic and evolutionary microbiology 13. Februar 2011.
• Free and Cellulose-bound Cellulases in a Cellulomonas Species. (PDF; 682 kB) 13. Februar 2011.
• Complete genome sequence of Cellulomonas flavigena type strain 13. Februar 2011.

Einzelnachweise

1. ↑ Cellulomonas bogoriensis sp. nov., an alkaliphilic cellulomonad. http://ijsb.sgmjournals.org/content/55/4/1711.full (Memento vom 15. April 2013 im Webarchiv archive.today) 13. Februar 2011.
2. ↑ Taxonomy of the Genus Cellulomonas.@1@2Vorlage:Toter Link/ijs.sgmjournals.org (Seite nicht mehr abrufbar, Suche in Webarchiven)  Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. 13. Februar 2011.
3. ↑ NCBI Cellulomonas flavigena DSM 20109, complete genome 14. Februar 2011.
4. ↑ NCBI National Center for Biotechnology Information Cellulomonas flavigena DSM 20109 14. Februar 2011.
5. ↑ Homologie Oerskovia/Cellulomonas 14. Februar 2011.