Biodiversitatea bacteriomului mașinii de cafea și colonizarea leșierii tăvii de cafea irosite
Subiecte
Abstract
Comunitățile microbiene sunt omniprezente atât în mediul natural, cât și în cel artificial. Cu toate acestea, diversitatea microbiană este de obicei redusă sub presiuni puternice de selecție, cum ar fi cele prezente în habitate bogate în compuși recalcitranti sau toxici care prezintă proprietăți antimicrobiene. Cofeina este un alcaloid natural prezent în cafea, ceai și băuturi răcoritoare cu proprietăți antibacteriene bine-cunoscute. Aici vă prezentăm prima analiză sistematică a bacteriilor asociate mașinii de cafea. Am prelevat rezervorul de deșeuri de cafea a zece mașini Nespresso diferite și am efectuat o monitorizare dinamică a procesului de colonizare într-o mașină nouă. Rezultatele noastre dezvăluie existența unei comunități bacteriene variate în toate mașinile prelevate și un proces rapid de colonizare a lichidului de cafea. Comunitatea s-a dezvoltat dintr-un bazin pionier de enterobacterii și alți taxoni oportunisti la un microbiom matur, dar încă foarte variabil, bogat în bacterii adaptate la cafea. Comunitățile bacteriene descrise aici, pentru prima dată, sunt potențiali factori determinanți ai proceselor relevante din punct de vedere biotehnologic, incluzând decofeinizarea și bioremediere.
Introducere
Cofeina (1,3,7-trimetilxantină) este un alcaloid natural cu proprietăți anti-erbivore produs de Cafea arabă și Coffea canephora, care este prezent într-o gamă largă de băuturi, inclusiv cafea, ceai și băuturi răcoritoare (în principal cola). Cofeina este un bine-cunoscut compus bioactiv cu efecte stimulatoare asupra sistemului nervos central, împreună cu o serie de alte efecte potențial pozitive asupra sănătății umane. Astfel de efecte variază de la îmbunătățirea memoriei pe termen lung 1, îmbunătățirea performanței sportive 2, inactivarea miofibroblastelor asociate cancerului mamar 3, reducerea riscului de diabet zaharat de tip 2 4 sau chiar reducerea riscului de mortalitate în rândul consumatorilor de cafea 5. Cu toate acestea, trebuie menționat, de asemenea, că obiceiurile de consum de cofeină sunt adesea legate de stilurile de viață și, prin urmare, este dificil să se tragă concluzii epidemiologice care leagă aportul de cofeină de sănătate.
Cofeina poate fi un poluant 6 pentru mediu și a fost, de asemenea, propusă ca un marker ușor de detectat pentru apele uzate netratate 7. Într-adevăr, prezența cofeinei în mediul natural este unul dintre cei mai buni indicatori ai contaminării antropice. Bioactivitatea cofeinei asupra sănătății umane și a mediului a condus la dezvoltarea proceselor de eliminare a cofeinei, fie pentru a produce produse decofeinizate, fie pentru a degrada cofeina din mediu. Decofeinizarea, și anume procesul de eliminare a cofeinei, este utilizată industrial pentru a produce băuturi cu conținut scăzut de cofeină și poate fi implementată și pentru remedierea mediului. O opțiune interesantă este de a utiliza microorganisme pentru a efectua procese de decofeinizare. Unele microorganisme s-au raportat că degradează cofeina, cum ar fi Aspergillus tamarii 8, Trichosporon asahii 9, Pseudomonas sp. 10.11 sau P. putida 12 .
În această lucrare, raportăm o analiză a diversității care vizează caracterizarea comunităților bacteriene care cresc pe deșeurile de leșie de cafea, utilizând tehnici de secvențiere, cultură și microscopie electronică de mare putere. Pentru a atinge acest obiectiv, am ales unul dintre cele mai răspândite sisteme de preparare a cafelei, Nespresso, datorită popularității și naturii sale standard. De fapt, mașinile compatibile Nespresso sunt dispozitive de fabricare a cafelei foarte standardizate (același tip de capsulă, același design de bază, aceeași presiune: 19 bari) și reprezintă o oportunitate unică pentru un screening biologic masiv. Aici vă prezentăm prima încercare de a face acest lucru. Am prelevat tava de scurgere interioară sub recipientul capsulei, în care se acumulează lichidul de cafea. Am analizat zece mașini domestice și semi-domestice și am studiat procesul de colonizare dinamică într-o mașină nouă Inissia Krups funcționată în laboratorul nostru. Aceasta este prima analiză sistematică a diversității microbiene asociate cu aparatele de cafea. Rezultatele noastre pot arunca lumină asupra arsenalului microbian al degradanților de cofeină cu implicații importante atât pentru medicină, cât și pentru biotehnologie.
Rezultate si discutii
Deșeurile de cafea din recipientul capsulei de nouă mașini Nespresso diferite funcționate timp de cel puțin un an au fost prelevate (Fig. 1A). Într-un caz (modelul CityZ), tava pentru ceașcă a fost, de asemenea, eșantionată independent, deoarece nu se conectează la recipientul pentru capsule. Secvențierea și analiza de mare randament a ampliconilor genei ARNr 16S de la toate mașinile au relevat o diversitate bacteriană semnificativă, numărul total de genuri identificate variind de la 35 la 67. Deși au fost detectate profiluri microbiene relativ similare, a existat o variație importantă în frecvența impozitului special. Enterococ sp. și Pseudomonas sp. s-au dovedit a fi taxonii principali deoarece au fost moderat până la foarte abundenți în nouă din cele zece probe analizate. Alte genuri frecvente erau Stenotrophomonas, Sphingobacterium, Acinetobacter și, într-o măsură mai mică, Coprococcus, Paenibacillus sau Agrobacterium. Dysgomonas a fost foarte frecvent în mașina Inissia, reprezentând 15% din secvențe (Fig. 1B). Nu s-au detectat diferențe între modelele de mașini (Tabelul 1) sau utilizarea (domestice vs. comunal).
(A) Reprezentarea schematică a unui aparat Nespresso (1) incluzând un recipient pentru capsule (3) (2), tavă pentru cupe (4) și o tavă pentru picurare (5), care a fost prelevată în această lucrare. () Profilul bacterian al celor nouă aparate Nespresso eșantionate în conformitate cu secvențierea genei 16S rRNA. Eșantioane numerotate în conformitate cu tabelul 1.
Unul dintre cele mai frecvente două genuri găsite în aparatele de cafea a fost Pseudomonas, care este, de asemenea, unul dintre puținele exemple raportate ale unei bacterii care degradează cofeina. Într-adevăr, Pseudomonas sp. se știe că catabolizează cofeina din anii șaptezeci [13] și se raportează că degradează până la 15 g/L de cofeină printr-o reacție de N-demetilare, care împreună cu oxidarea C-8 reprezintă cele două căi potențiale catabolice 14. Speciile despre care se arată că prezintă abilități de degradare a cofeinei sunt P. alcaligenes 15 și P. putida (tulpinile C1, CBB1 sau CBB5). De fapt, P. putida Genele N-demetilării au fost folosite pentru a proiecta genetic o versiune „dependentă” de cofeină E coli 16 și eliminarea cofeinei din canalizare prin bioremediere cu P. putida a fost de asemenea propus 17 .