Курсовой проект - Екстремальні гіпертермофільні археї

Подождите немного. Документ загружается.

Гілки гіпертермофілів наведені товстою лінією.

Рисунок 1 -- Універсальне дерево життя, засноване на порівняльному

аналізі структур гена 16S рРНК (ss rRNA) згідно Воуза [28].Схематичний

рисунок.

На сьогодні класифікація прокаріот, заснована на аналізі нуклеотидної

послідовності гена 16S-рРНК, вважається обов’язковою для розрізнення та

характеристики нових таксономічних груп. Слід зазначити, що більш

традиційні критерії (вміст GC пар ДНК, ДНК-ДНК гомологія, морфологія та

фізіологічні особливості) можуть бути використані лише як окремі ознаки

при визначенні вищих таксонів представників однієї філогенетичної лінії

(наприклад, при описі різних видів чи штамів)[23].

2.2. Філогенія

Очевидно, що серйозною проблемою молекулярних класифікацій є

відсутність змістовної інтерпретації аналізованих ознак [7]. Більш

адекватним є опис еволюційної історії організмів, що є основою

філогенетичних класифікацій. Починаючи з піонерських робіт Карла Воуза,

для таких цілей широко використовується порівняльний аналіз 16S рРНК (ss

rRNA) прокаріот, яка містить близько 1500 основ та гомологічна

еукаріотичній 18S рРНК [24]. Внаслідок проведених досліджень

нуклеотидних послідовностей 16/18S рРНК було отримане універсальне

філогенетичне дерево життя (рисунок 1), яке показало наявність поділу

всього живого на три домена: Bacteria, Archaea и Eucarya [28].

В межах такого дерева найбільш „глибокі” філогенетичні гілки

засвідчують раннє розділення організмів в ході еволюції, короткі

демонструють уповільнення цього процесу на певному етапі. Очевидно, що

на відміну від еукарій, в доменах архей та бактерій містяться найбільш

глибокі гілки, що свідчить про їх близькість до єдиного універсального

предка (лежить в корені дерева)[14]. Як не дивно, саме гіпертермофіли

репрезентують усі найглибші та найкоротші гілки, оточуючи основу

філогенетичного кореня. Перш за все, це Aquifex і Thermotoga серед бактерій

та Methanopyrus, Pyrodictium і Pyrolobus серед архей. Можна зробити

висновок, що екстремофіли відносяться до найбільш древніх організмів і що

останній спільний предок всього живого міг бути гіпертермофілом[23].

На сьогодні в домені архей виділяють 4 царства або типа [24]:

1) Crenarchaeota – термофіли, екстремальні термоацидофіли, а також

гіпертермофіли, що входять до всіх трьох порядків Sulfolobales,

Thermoproteales, Igneococcales (рисунок 2) [33];

Назви сімейств гіпертермофілів взяті в рамку.

Рисунок 2 -- Дендрограма, що демонструє класифікацію архебактерій

царства Crenarchaeota на основі порівняльного аналізу гена 16S рРНК (ss

rRNA)[20].

2) Euryarchaeota – сулфатредуктори, метаногенні і галофільні археї;

мезофіли, термофіли, а також гіпертермофіли, які входять до порядків

Thermococcales, Archaeoglobales, Methanococcales, Methanobacteriaies,

Methanopyrales (рисунок 3)[17];

Назви порядків гіпертермофілів взяті в рамку.

Рисунок 3 -- Дендрограма, що демонструє класифікацію архебактерій

царства Euryarchaeota на основі порівняльного аналізу гена 16S рРНК (ss

rRNA)[17].

3) Nanoarchaeota - єдиний представник гіпертермофіл Nanoarchaeum

equitans, симбіонт або паразит гіпертермофільних архей Ignicoccus, що

мешкають в гідротермальних системах США, Ісландіі і на Камчатці [26];

4) Korarchaeota (на рисунку 1 не показані) - ДНК знайдені в

геотермальних джерелах США, Ісландії, на рисових полях Японії,

культивовані види поки невідомі [7].

По мірі накопичення відомостей про молекулярні структури та

організацію геномів архей деякі мікробіологи ( Гупта (Gupta), Кавалье-Сміт

(Cavalier-Smith) та ін.) прийшли до висновку, що універсальне дерево життя,

засноване на порівняльному аналізі структур гена 16S рРНК (рисунок 1), не

співпадає з результатами філогенетичних досліджень на основі порівняння

інших геномних фрагментів (рисунки 4-5)[7]. Так, порівняльний аналіз не

інформаційних генів, продукти яких відповідальні за реалізацію генетичної

інформації, а операційних генів, продукти яких приймають участь у

метаболізмі, для повних геномів 15 архей і 45 еубактерій показав, що 75%

генів Saccharomyces cerevisiae гомологічні еубактеріям, що може бути

характерним тільки для найпростіших еукаріот [29]. Отже, сестринські

зв'язки між архебактеріями і еукаріотами відображаються тільки в деяких

генах.

Альтернативні системи класифікації засновані на особливостях будови

не лише генів, але й клітинних покривів. Клітини можуть бути оточені

однією (Monodermata або одноплівочні, - археї, еукаріоти і грампозитивні

бактерії) або двома (Didermata або двохплівочні, - грамнегативні бактерії)

мембранами [30]. Класифікація Гупти (Gupta) заснована на кількості

клітинних мембран і порівняльному аналізі амінокислотних послідовностей,

що знаходяться між консервативними ділянками і названих інделами від

англ.«INsertion» і «DELetion».

У відповідності с кладограммою Гупти (рисунок 4) положення архей не

визначено: археї разом з еукаріотами можуть бути сестринською групою

грампозитивних бактерій або мати поліфілетичне походження, при якому

галофільні археї походять від актинобактерій, а метаногени -- від клостридій

[31].

Рисунок 4 -- Результати філогенетичного аналізу згідно Гупти (Gupta)

[31].

За результатами філогенетичного аналізу Кавалье-Сміта (Cavalier-

Smith) (рисунок 5), з одноплівочних Posibacteria виникло нове царство

Neomura, яке об'єднало архей і еукарій. При частковому співпадінні

класифікації Гупти і Кавалье-Сміта відрізняються у визначенні

первісниходноплівочних або двохплівочних клітин відповідно [32].

Рисунок 5 -- Результати філогенетичного аналізу згідно Кавалье-Сміта

(Cavalier-Smith) [32].

В якості висновку слід зазначити, що проблема філогенетичної

класифікації архебактерій ( в тому числі гіпертермофільних) залишається

відкритою, з необхідністю подальшого систематичного аналізу. Зокрема,

сучасні дослідження по даній темі набули досить значних масштабів, але

більшість вчених все ж продовжують користуватися філогенетичним деревом

Воуза, погоджуючись з тим, що воно потребує деякого вдосконалення або

повного перегляду[33].

3.СЕРЕДОВИЩА ІСНУВАННЯ ГІПЕРТЕРМОФІЛЬНИХ АРХЕЙ

Гіпертермофіли проживають у вологих вулканічних та геотермальних

гарячих умовах довкілля, віддаючи перевагу наземним і підводним зонам

вулканічних розломів, де стикаються і розходяться тектонічні плити земної

літосфери [28]. В середовищі перенагрітої насиченої пари життя неможливе,

тому наявність води в рідкому стані – необхідна умова існування

гіпертермофілів в таких біотопах. Деякі екстремальні археї комфортно себе

почувають за температур вище 100°C завдяки підвищенню точки кипіння

води в умовах високих гідростатичних і осмотичних тисків [9]. У зв’язку з

присутністю газів-відновників та низькій розчинності кисню за високих

температур, біотопи гіпертермофілів переважно анаеробні (таблиця 1.1).

Вони розвивались ізольовано від наземних і морських природних

кліматичних умов[33].

Таблиця 1.1 - Біотопи гіпертермофілів [28].

*) В залежності від висоти над рівнем моря;

**) Концентрація сульфатів в морській воді близько 3 ммоль/л.

3.1. Наземні біотопи

Наземні біотопи гіпертермофілів представлені в основному

сірковмісними сольфатарними територіями, що названі так на честь вулкана

Сольфатара в Їталії. Сольфатарні поля складаються з грунту, бруду,

вулканічних тріщин і води, нагрітої активними магматичними процесами під

землею[12]. Дуже часто, такі поля знаходяться в тісному сусідстві з діючими

вулканами і їх активність у значній мірі зростає на різних етапах

виверження. В залежності від висоти над рівнем моря, максимальна

температура води сольфатарних полів досягає 100°C. Їх сольоність, як

правило, низька. Хімічний склад дуже різноманітний і залежить від

особливостей локалізації сольфатара[13]. Водяна пара є головним фактором

теплопередачі. СО

в анаеробних грунтах запобігає проникнення кисню на

великі глибини. Окрім того H

S приймає участь у відновленні кисню до води,

сприяючи накопиченню елементарної сірки. Важливим газоподібним

джерелом енергії для гіпертермофілів є водень, який може утворюватись

піролітично з води або хімічно з H

S[34]. Значна кількість сольфатарних

полів багата на залізовмісні мінерали, такі як гідроксид заліза, пірит та інші

сульфіди заліза. Деякі території збагачені також рідкісними мінералами

миш’яку, магнетитами і реальгаром ( наприклад, Долина Гейзерів на

Камчатці ). Зрідка на території сольфатарів зустрічаються силікатовмісні

нейтральні чи слабколужні (рН=7-10) гарячі джерела глибинного

походження з низькою концентрацією неорганічних сполук сірки [24].

Німецьким дослідником Карлом Шеттером були досліджені глибинні

геотермальні біотопи невулканічного походження, що були знайдені на

глибині 3500 метрів під шаром вічної мерзлоти на Алясці, температура яких

сягала майже 100°C. Такі нафтогазоносні піщаники та вапняки Юрського

періоду слугують чудовим середовищем для життєдіяльності цілої

сукупності гіпертермофілів ( близько 10

різноманітних клітин на 1 літр

проби )[35]. Як виявилось, ці організми дуже схожі на тих , що знайдені в

підводних гідротермальних системах.

При виверженні вулканів можуть утворюватися кратерні озера, нагріті

фумаролами (Наприклад, Askja в Ісландії). Як правило вони багаті на сірку і

мають сильнокисле середовище, представляючи собою чудовий біотоп для

гіпертермофілів [36]. На жаль, нічого невідомо про мікробне життя всередині

діючих вулканів. Такі місця небезпідставно вважають „ гарячими губками”,

що можуть містити велику кількість води в тріщинах і розломах,

представляючи собою один з невивчених біотопів гіпертермофілів. Перші

свідчення про присутність мікробних співтовариств геотермальних територій

на глибині 3500 м під землею були отримані зовсім нещодавно. Грунти

вулканічних схилів також є придатними для існування багатьох груп

екстремофілів. Наприклад, на горі „Tramway Ridge", південному кратері

вершини Еребус і на верхньому плато

піку Мельбурн, що знаходяться в Антарктиді, виявлені вологі грунти з

температурою 60 та 65°С і рН 5-6 на висоті 3500 метрів[6]. Вони

представляють собою „острівці” теплолюбного життя на найхолоднішому

континенті.

3.2. Морські біотопи

Морські біотопи гіпертермофілів розміщуються в різних

гідротермальних системах, розташованих як на мілинах, так і на значній

глибині. Як і для звичайної морської води, такі системи містять високі

концентрації NaCl, сульфатів і мають середовище від слабкокислого до

слабколужного pH (5-8.5)[1]. З іншої сторони, необхідні для існування гази і

мінеральні поживні речовини, можливо, подібні до таких в наземних

термальних областях. Дрібні підводні гідротермальні системи знаходять в

багатьох частинах світу, переважно на територіях з активним вулканізмом,