Екстремальні гіпертермофільні археї

Історія вивчення гіпертермофільних мікроорганізмів, їх систематичне положення, середовища існування (наземні і морські біотопи). Морфологічні, фізіологічні і культуральні особливості архей; механізми їх термофілії. Практичне використання в біотехнології.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

ЗМІСТ

ВСТУП

ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1. Історія вивчення та відкриття гіпертермофільних архей

2. Систематичне положення гіпертермофільних архей

2.1 Таксономія

2.2 Філогенія

3. Середовища існування гіпертермофільних архей

3.1. Наземні біотопи

3.2. Морські біотопи

4. Морфологічні, фізіологічні і культуральні особливості гіпертермофільних архей

4.1 Морфологічні особливості

4.2 Фізіологічні властивості

4.3 Культуральні властивості

5. Енергетичний метаболізм гіпертермофільних архей

6. Механізми термофілії гіпертермофільних архей

6.1 Термостабільність ліпідів і мембран

6.2 Термостабільність білків і ферментів

6.3 Термостабільність ДНК та інших нуклеїнових кислот

6.4 Межі термоадаптації

7. Коротка характеристика окремих представників гіпертермофільних архей

8. Практичне значення і використання в біотехнології

8.1 Використання в молекулярній біології

8.2 Використання в промислових процесах гідролізу крохмалю

8.3 Використання в інших промислових процесах

ВИСНОВКИ

ЛІТЕРАТУРА

ВСТУП

Гіпертермофільними називають мікроорганізми з оптимумом росту за температур вище 80°С [1,2,3]. На відміну від звичайних термофілів вони, як правило, не ростуть при температурах нижче 60°С [4,5]. За останні 30 років інтерес до гіпертермофільних мікроорганізмів у науковому співтоваристві постійно росте. Сучасні гідротермальні системи можна розглядати як аналог древніх біоценозів Землі. Таким чином, вивчення гіпертермофільних прокаріот є важливим як для розуміння еволюції мікроорганізмів та їх метаболічних шляхів, так і для розуміння еволюції біосфери в цілому. Усе більш поширеною стає гіпотеза про те, що життя вперше зародилося саме в таких умовах: у тріщинах і порожнинах нагрітих гірських порід, глибоко в надрах Землі. Тому вивчення подібних мікробних співтовариств, можливо, згодом наблизить нас до розгадки таємниці походження життя [6]. У термальних екосистемах гіпертермофільні мікроорганізми можуть виконувати функції первинних продуцентів й/або деструкторів органічної речовини [7]. Гіпотеза про існування гарячої підземної біосфери, із сумарною кількістю біомаси, що перевершує наземну (передбачається, що в порожнинах і тріщинах осадових і вулканічних порід під дном океанів можуть знаходитися до 2/3 всіх мікроорганізмів, що живуть на планеті), знаходить своє підтвердження, надаючи активну роль гіпертермофільним мікроорганізмам у минулих і сучасних біогеохімічних процесах [6]. Крім того, виняткова стійкість їх біополімерів до високих температур робить їх перспективними об'єктами, як для фундаментальних досліджень, так й у зв'язку з можливістю застосування в різних областях біотехнології [3]. Переважна більшість гіпертермофільних організмів становлять археї [1,2,6]. Предметом розгляду даної роботи є саме гіпертермофільні археї.

З'ясування адаптаційних механізмів, які забезпечують активне існування при високих температурах, що перешкоджають росту переважної більшості прокаріот, становить безсумнівний інтерес. Адже цей фактор впливає на всі живі істоти: навколишня температура постійно змінюється, її перепади в певних районах бувають досить значними, і організми повинні пристосовуватися . Проведені в цьому напрямку дослідження переконливо довели, що термофілія включає безліч молекулярних механізмів і не може бути пояснена тільки якою-небудь однією властивістю організму. Деякі з них залишаються нез'ясованими і чекають свого пояснення, але вже на сьогоднішній день досягнуто значних успіхів. Тому ціль даної роботи -- охарактеризувати та зіставити різноманітні механізми та найбільш загальні молекулярні аспекти, запропоновані останніми роками для пояснення способів існування гіпертермофільних архей в екстремальних умовах навколишнього середовища і можливості їх використання в потребах людини. Для досягнення цілі роботи поставлені такі задачі :

1) Ознайомитися з результатами проведених досліджень за останні роки, що розширюють наші знання про унікальні особливості гіпертермофільних архей і в майбутньому, переконаний, знадобляться в професійній діяльності.

2) Розкрити та виділити особливі адаптаційні риси в фізіологічних та морфологічних властивостях гіпертермофільних архей.

3) Приділити особливу увагу промисловому та лабораторному використанню гіпертермофільних архей та їх перспективам як біотехнологічних об'єктів.

4) Наголосити на основних перевагах, актуальності та комерційній цінності використання термостабільних ферментів гіпертермофільних архей в порівнянні з такими в термофільних бактерій та архей.

Обмеженість розгляду даної теми у вітчизняних наукових виданнях зумовила і стимулювала до використання значної кількості матеріалів з іноземних джерел, що надало даній роботі передового і пізнавального характеру.

Як правило, біотехнологічний потенціал гіпертермофільних архей у значній мірі пов'язаний з наявністю в них термостабільних ферментів, серед яких найбільш широким використанням й комерційною успішністю користуються термостабільні ДНК-полімерази, основною перевагою яких перед бактеріальними полімеразами є більш висока термостабільність і точність копіювання [7]. Крім цього, практичного використання набувають й інші термостабільні ферменти архей, зокрема, в молекулярній біології, хімічному синтезі, целюлозно-паперовій і харчовій промисловості. Широкі перспективи застосування і очевидні переваги створюють умови для подальшого їх впровадження у технологічні процеси.

Особливу подяку автор висловлює науковому керівникові доц.,к.б.н. Орябінській Л.Б. за запропоновану тему, обговорення результатів, цінні поради і зауваження та загальне наукове керівництво.

ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1. ІСТОРІЯ ВИВЧЕННЯ ТА ВІДКРИТТЯ ГІПЕРТЕРМОФІЛЬНИХ

АРХЕЙ

Неймовірно, але факт: головною відмінною фізіологічною рисою гіпертермофільних мікроорганізмів є здатність до росту при високих температурах (вище 80°С), тобто в умовах, цілком неприйнятних для більшості живих істот [8;9]. Коли американський мікробіолог Томас Брок

(T.D.Brock) в 1968 р. вперше доповів на конференції результати своїх досліджень з цього питання, багато його колег вважали, що він божевільний, а його співробітникам радили пошукати роботу в іншому місці. І для цього були всі підстави [10]. Адже з Луї Пастера було загальновизнаним, що вегетативні клітини бактерій успішно гинуть при температурах від 80 до 100°С (Це спостереження ґрунтувалось на технології пастеризації). Крім цього, вважалось, що високі концентрації солей в морській воді і прісноводних гарячих джерелах, створюючи додатковий стрес на живі організми, унеможливлювали їх існування за таких умов. Тому усілякі заперечення вищенаведеного навіть не сприймалися до уваги [11].

Але Брока це не зупинило. Він помістив в гарячі джерела Йеллоустонського національного парку (з температурою води, близькою до точки кипіння) скляні диски з надією, що на них утворяться колонії існуючих у цій воді мікроорганізмів. У ті роки найвищою температурою, при якій могло існувати життя, вважали 75°С (Thermus aquaticus [10]). Однак вже через кілька днів пластинки Брока вкрилися тонким шаром мікроорганізмів, і біолог впевнився, що навіть там, де температура ніколи не падала нижче 100°С, існує життя [12]. Ці невідомі раніше живі істоти стали важливим об'єктом досліджень біологів. Перш за все вчені зацікавилися особливостями обміну речовин цих мікроорганізмів і спробували знайти їм місце в загальній еволюційній картині живого світу.

Спочатку знайдені бактерії, віднесені до роду Sulfolobus, американський дослідник Кастенхольц (Castenholz) розглядав як рідкісних і незвичайних представників серед Pseudomonad [13]. Але згодом німецький мікробіолог Карл Воуз (Сarl Woese) в 1977 році опублікував свою революційну концепцію трьох доменів живого світу на підставі порівняльного аналізу нуклеотидних послідовностей гена 16S рибосомальної РНК, запропонувавши три самостійні лінії розвитку відносити до домініоніонів (від англ. domain) і називати археями (Archae), бактеріями або еубактеріями (Bacteria) і еукаріями (Eukarya), замість еукаріот для співзвучності з іншими назвами [7]. Його колеги, Карл Стеттер ( Karl O. Stetter ) і Вольфрам Зілліг (Wolfram Zillig), ґрунтуючись на дослідженні ДНК-залежних ДНК-полімераз різних мікрорганізмів, підтвердили висновки Воуза [11].Також виявилось, що насправді рід Sulfolobus належить до домену Archaea і має досить древнє походження, знаходячись біля кореня запропонованого філогенетичного дерева. Подальший аналіз показав, що еукаріоти та архебактерії мають спільного універсального предка небактеріального походження і першими організмами, що відокремились від Archae/Eukarya лінії були саме гіпертермофіли. Отже, гіпертермофільні організми виявились найбільш близькоспорідненими до предка сучасного живого світу, розвиваючись у високотемпературних умовах молодої Землі [14]. Можливо, вони були першими формами життя на планеті [8].

Більшість з близько 20 досліджених до нашого часу родів гіпертермофілів, окрім 2 (Thermotoga та Aquifex), класифікують як археї [11][14]. Ранні дослідження таких мікроорганізмів наводили на думку, що їх геном може характеризуватися високим вмістом Г-Ц пар, але сучасні методи д...