Курсовой проект - Екстремальні гіпертермофільні археї

Подождите немного. Документ загружается.

проходженні через вузькі пори грунтів та гірських порід з метою колонізації

гарячих підземних біотопів[13].

Нещодавно, дослідницька група відділу Молекулярної Еволюції

Університету Упсали в Швеції під керівництвом професора Рольфа

Бернандера відкрила невідомий до теперішнього часу механізм поділу клітин

гіпертермофільних архей Sulfolobus acidocaldarius, що мешкають в гарячих

кислотних джерелах. Вчені виявили три унікальні гени, які активуються

перед початком поділу клітин . Білкові продукти цих генів потім формують

жорстку пластинку, що розділяє хромосоми, які розійшлися після сегрегації,

після чого ця ж пластинка утворює перемичку між двома дочірніми

клітинами - поступово скорочуючись, вона дозволяє клітинам розійтися.

Білки, з яких складається розділююча пластинка, абсолютно унікальні і не

мають гомологів серед інших відомих живих організмів, які відігравали б

роль в клітинному діленні[5]. Два з трьох описаних білків мають схожі

структури з так званими ESCRT-білками, характерними для эукаріотичних

клітин, проте білки ці, у тому числі у ссавців, відповідальні не за поділ

клітин, а за формування внутрішньоклітинних мембранних вакуолей, що

виконують функції молекулярного транспорту. Мабуть, в процесі еволюції

сталося радикальне розмежуваня функцій деяких білків. Подібні

дослідження дають можливість пояснити клітинну біологію архей та інших

екстремофілів, а також з'ясувати їх еволюційні зв’язки з представниками

царства Еукарій.

4.2. Фізіологічні властивості

Єдиною фізіологічною рисою, характерною для всіх членів цієї групи

мікроорганізмів є здатність до росту і розвитку при дуже високих

температурах[1,2,3]. Всі інші фізіологічні і біохімічні властивості

гіпертермофілів значно різняться : діапазон фізико-хімічних умов

життєдіяльності варіює від строгих аеробів до облігатних анаеробів, від

алкалофільних до екстремально ацидофільних (таблиця 4.1). До

ацидофільних відносять мікроорганізми, для яких характерний оптимальний

рН середовища в межах 3,0 і нижче[39]. Майже всі вони об'єднані в порядок

Sulfolobales і були виділені з наземних і морських сольфатар. Вони ростуть

аеробно (Sulfolobus), факультативно аеробно (Acidianus) і строго анаеробно

(Slygiolobus). Більшість нейтрофільних і слабо ацидофільних гіпертермофілів

є строгими анаеробами. До гіпертермофілів відносять також мікроорганізми,

що ростуть як при низькій, так і при високій солоності середовища. Також

широким є спектр типів метаболізму : на сьогоднішній день серед

гіпертермофілів невідомі лише фототрофи, метанокислюючі та нітрифікуючі

прокаріоти[43].

Таблиця 4.1 – Умови існування деяких гіпертермофільних архей[43].

У термальних екосистемах гіпертермофіли утворюють складні харчові

ланцюги і можуть виконувати функції первинних продуцентів і споживачів

органічної речовини. Всі гіпертермофільні первинні продуценти є

хемолітоавтотрофами, що використовують неорганічні сполуки в якості як

донорів, так і акцепторів електронів [28]. В аеробних умовах вони здатні

окислювати молекулярний водень до води, а елементну сірку, сульфіди і

тіосульфати окислюють до сірчаної кислоти. При відсутності кисню

елементна сірка, сульфати, тіосульфати, сульфіти, нітрати, нітрити, Fe(III) і

СО

можуть слугувати акцепторами електронів при диханні, а молекулярний

водень є донором електронів. Ferroglobus placidus здатні використовувати

замість водню йони двовалентного заліза як донор електронів при

відновленні нітрату[44]. Автотрофні гіпертермофіли отримують клітинний

вуглець у відновному циклі трикарбонових кислот (Aquifex pyrophilm,

Thermoproteus neutrophilus) або через відновний ацетил-кофермент А шлях

(Archaeoglobus lithotrophicus, Ferroglobus placidus) [10]. Нещодавно для

членів порядку Sulfolobales був описаний новий шлях фіксації СО

: цикл 3-

гідроксипропіоната [25]. Деякі хемолітоавтотрофи є факультативними

гетеротрофами і можуть використовувати для росту органічні речовини. Ці

два різні способи метаболізму були виявлені, наприклад, у представників

родів Sulfolobus, Metallosphaera, Acidianus, Pyrobaculum, Geoglobus[43].

Облігатні органотрофи розвиваються за рахунок різних типів дихання

або бродіння. В даний час відомий лише один гіпертермофіл, Aeropyrum

pernix, який отримує енергію виключно за рахунок кисневого дихання при

рості на складних органічних сполуках [45].Для органотрофів при

анаеробному диханні як акцептори електронів можуть слугувати сірка,

окислені сірковмісні сполуки, нітрати або Fe (III)[2]. Багато

гіпертермофільних органотрофів є облігатними сіркоредукторами, проте всі

члени порядку Thermotogales і багато членів порядку Thermococcales можуть

рости незалежно від сірки, отримуючи енергію від бродіння субстратів.

Відомі також мікроорганізми, розвиток яких інгібується сіркою: Pyrolobus

fumarii, Sulfophobococcus zilligii, Thermosphaera aggregans[10]. Джерелами

енергії і вуглецю для гетеротрофних гіпертермофільних мікроорганізмів в

глибоководних біотопах, служать складні суміші пептидів, що утворюються

при розкладанні мортмаси первинних продуцентів[38]. Деякі види

гетеротрофних гіпертермофілів здатні використовувати полісахариди

(крохмаль, пектин, хітин і глікоген). Гіпертермофільні залізоредуктори

володіють унікальними фізіологічними властивостями, невідомими для

інших гіпертермофільних прокаріот: здатністю до анаеробного окислення

органічних кислот (Archaeoglobus profundus [46]) ароматичних з'єднань

{Ferroglobus placidus[47]) і жирних кислот {Geoglobus ahangari[48]) .

У гідротермальних і геотермальних біотопах гіпертермофіли

виконують важливі функції в процесах мінералоутворення. Члени порядку

Sulfolobales здатні вилужувати важкі метали з сульфідних руд, таких як пірит

і халькопірит. Процеси біомінералізації гіпертермофілів включають

утворення магнетиту із заліза деякими залізоредукторами [10]. Недавно

показано, що процес утворення реальгара з арсената, який раніше вважався

хімічним, може здійснювати гіпертермофільна архебактерія Pyrobaculum

arsenaticuni [27].

4.3. Культуральні властивості

Особливості культивування гіпертермофільних архей визначаються їх

унікальними фізіологічними і метаболічними особливостями, що змушує

дослідників використовувати унікальні техніки для імітації екстремальних

умов існування даної групи мікроорганізмів ( наприклад, культивування в

автоклаві при високих тисках і температурах ( навіть до 122°C )) [31]. Так,

загальновідомий гіпертермофіл Pyrodictium occultum з оптимумом росту

105°C вимагає використання для культивування особливих пробірок, щоб

створений в ній тиск запобігав кипінню води культурального

середовища[43]. Деякі термоацидофільні представники роду Sulfolobus при

оптимальному рН

2-3 можуть виживати навіть в середовищах при рН = 0 (

еквівалентне 0.5M розчину H

)[33]. Штами архебактерій родів Sulfolobus,

Thermoproteus

ростуть літотрофно, окислюючи молекулярну сірку до

сульфатів, але деякі з них ростуть в середовищі цукрів чи органічних кислот (

наприклад, глутамат), спиртів, амінокислот, використовуючи їх як

енергетичний ресурс і як джерело карбону в біосинтетичних цілях [33]. Що

цікаво, археї роду Thermofilum вдало культивуються лише в присутності

Thermoproteus, і були виявлені саме як невідомі фактори в екстрактах і

культурах супутнього мікроорганізму. Пояснення цього факту ще й досі

немає, але очевидним залишається те, що окремо культивувати дані види

архей не вдається [14]. Всі гіпертермофільні метаногени ростуть на

середовищах при достатньо високих температурах, деякі з них потребують

високої концентрації солей і кислих рН (тобто, є ацидофільними та

галофільними). Архебактерії роду Archaeglobus завдяки широкому спектру

метаболічних можливостей можуть рости як гетеротрофно за наявності в

поживному середовищі лактату чи ацетату, або автотрофно як

сульфатредуктори, фіксуючи при цьому СО

[46]. В цілому для подолання

труднощів при культивуванні гіпертермофілів необхідно розробляти нові

методи і технології, адже ще значна доля цих миікрорганізмів не зайняла

відведених полиць в дослідницьких лабораторіях.

5. ЕНЕРГЕТИЧНИЙ МЕТАБОЛІЗМ ГІПЕРТЕРМОФІЛЬНИХ АРХЕЙ

Енергетичний метаболізм екстремальних архей досить своєрідний. Він

облігатно чи факультативно зв’язаний з метаболізмом молекулярної сірки.

Основні способи отримання енергії включають аеробне чи анаеробне

(сірчане) дихання, а також бродіння[2]. Сучасні дослідження доводять, що

для будь –якого типу метаболізму існують певні температурні обмеження.,

що пов’язані з термостабільністю і оптимумами дії ферментативних систем,

мембран та інших макромолекул у екстремальних умовах довкілля. Так,

граничним фототрофом вважають термофільну ціанобактерію Synechococcus

lividus, хемоорганотрофами -- архебактерії Pyrodictium occultum та Acidianus

infernus, хемолітотрофами – гіпертермофіли Ferroglobus placidus (донор

електронів Fe2+ або S ), Pyrolobus fumarii (донор електронів H

, темп.

оптимум 113°C); а також архей роду Pyrodictium ( рисунок 9)[10].

Рисунок 9 -- Температурні ліміти типів метаболізму прокаріотичних

організмів[10].

Хемоорганотрофи використовують органічні сполуки як джерело

енергії для росту і розвитку. Катаболізм глюкози відбувається

модифікованим шляхом Ентнера – Дудорова (КДФГ-шлях). Дані аналізу

проміжних продуктів розщеплення глюкози в екстрактах клітин і кінцевих

продуктів перетворення пірувату в інтактних клітинах досліджених

гіпертермофільних прокаріот показують, що співвідношення шляхів

розщеплення глюкози у представників архей і бактерій різняться[2]. У

клітинах архебактерій Thermococcus celer і Thеrmососсus litoralis глюкоза

перетворюється на ацетат і аланін через модифікований шлях Ембдена-

Мейергофа-Парнаса , що включає АТФ-залежну гексокіназу, АДФ-залежну

6-фосфофруктокіназу і гліцеральдегід-3-фосфат:ферредоксин

оксидоредуктазу. В архебактерії Desulfurococcus amylolyticus ацетат

утворюється з глюкози модифікованим шляхом Ентнера – Дудорова (КДФГ-

шлях), в якому функціонують гліцеральдегід-3-

фосфатдегідрогеназа/фосфогліцераткіназа[49]. У клітинах Thermoproteus

tenax глюкоза перетворюється на ацетат і аланін по шляху Ембдена-

Мейергофа-Парнаса і шляху Ентнера-Дудорова одночасно у співвідношенні

85:15 відповідно[40]. В аеробної архебактерії Sulfololus acidocaldarius

глюкоза розщеплюється лише по КДФГ-шляху з утворенням ацетату і

аланіна[5]. На основі цих даних дослідник М. Селідж зробив висновок, що

гіпертермофільні археї розщепляють глюкозу до пірувату або по

модифікованому шляху Ембдена-Мейергофа-Парнаса, або по

нефосфорилюючому шляху Ентнера-Дудорова, або їх комбінації[40] Група

німецьких дослідників на чолі з Ахмедом при дослідженні метаболізму

гіпертермофіла Thermoproteus tenax частково підтвердила висновки Селідж.

Окрім цього вони висунули гіпотезу, що наявність таких двох паралельних

шляхів катаболізму відіграє певну роль в термоадаптації. Адже проміжні

інтермедіати метаболічних шляхів мали великий період напіврозпаду (

наприклад, дигідроксиацетон-фосфат – 79,4 хвилини, 1,3 – дифофогліцерат –

1,6 хвилини при температурі 60°C) і можуть слугувати крайнім ресурсом для

термоадаптації[49]. Окислення ацетату до CO

проходить через цикл цикл

трикарбонових кислот або Acetyl-CoA шляхом. Електрон-транспортні

ланцюги містять цитохроми типу а, b і існують в деяких архей. Тому,

електрони, відщеплюючись від органічних субстратів передаються через

даний ланцюг до кінцевого акцептора з утворенням енергії АТФ шляхом

генерації мембранного потенціалу і роботи водневих помп в ЦПМ[7].

Хемолітотрофи використовують в якості донорів електронів для

енергетичних потреб різноманітні неорганічні сполуки ( Таблиця 5.1)[2].

Більшість поданих реакцій спрямовані на утилізацію молекулярного

водню -- головного компонента магматичних газів. Крім того, такі

перетворення характеризують метаногенезис, сульфатне, залізне, сірчане,

нітратне дихання, властиві хемолітотрофним гіпертермофільним

архебактеріям. Перераховані в таблиці 5.1 способи енергетичного існування

цієї групи бактерій не вичерпують усіх, досліджених до нашого часу у

окремих представників. Це засвідчує широке різноманіття використання

неорганічних сполук для енергетичних потреб, що стало життєво необхідним

пристосуванням в характерних гіпертермофільних біотопах.

Таблиця 5.1 – Енергозапасаючі реакції хемолітотрофних гіпертермофілів[28].

*) Факультативні гетеротрофи

6. МЕХАНІЗМИ ТЕРМОФІЛІЇ ГІПЕРТЕРМОФІЛЬНИХ АРХЕЙ

Очевидним є те, що різноманітні пристосування на всіх рівнях

організації живого - від молекулярного до екосистемного - формуються за

допомогою генотипічного і фенотипічного механізмів, які зазвичай тісно

переплетені[9]. Генотипічні адаптації склалися впродовж безлічі поколінь і

пов'язані з природним відбором - вони “записані” в геномі. При сезонних або

більш короткочасних (декілька тижнів) коливаннях температури адаптаційні

механізми мають фенотипічну природу, вони формуються впродовж одного

покоління, оборотні і “не записані” в геномі. Для гіпертермофільних архей

характерні пристосування обох типів, що отримали назву термофілії[10].

Її хімічні і біохімічні основи поки нез’ясовані, але для даної групи

архей показана виключна термостабільність ряду ферментів і особлива

будова клітинних стінок, мембран і ліпідів, а також виявлені механізми

підтримання стабільності подвійної спіралі ДНК[2]. Це свідчить про те, що

термофілія включає безліч молекулярних механізмів і не може бути пояснена

лише якою-небудь однією властивістю організму. Розглянемо докладніше

запропоновані гіпотези для пояснення природи термофілії.

6.1. Термостабільність ліпідів і мембран

У гіпертермофільних архей не знайдені звичайні для еубактерій ефіри

гліцерину і жирних кислот, але присутні ефіри, утворені шляхом конденсації

гліцерину з терпеноїдними спиртами: диефір складається з гліцерину,

зв’язаного простими ефірними зв’язками з двома молекулами С

– спирту

фітанолу (3,7,11,15-тетраметилгексадесіл); тетраефір утворений двома

залишками гліцерину, з’єднаного двома однаковими парами С

–

біфітанільних ланцюгів, що можуть бути ациклічними або містити від 1 до 5

п’ятичленних кілець циклопентану ( рисунок 6.1)[33]. Саме наявність таких

кілець в структурі ліпідів гіпертермофілів сприяє стабілізації мембран,

знижуючи її латеральну рухливість і забезпечуючи функціонування за

високих температур[2]. При її підвищенні кількість ланцюгів з циклічними

структурами зростає, з ациклічними – зменшується, крім того від

температури залежить і кількість кілець в ланцюгу. Велику роль у підтримці

текучості мембран відіграють, також, ліпіди з розгалудженими ланцюгами

(наприклад, для Sulfolobus)[33].

1 – фітаніловий диефір гліцерину; 2 – біфітаніловий тетраефір

дігліцерину; 3 – ізопреноїд із полярних ліпідів, що містить п’ятичленні

циклічні групи; обведені полярні області; R – залишки фосфатів чи

сахарів[2].

Рисунок 10 -- Ліпіди гіпертермофільних архебактерій.

Унікальні ліпіди – макроциклічний археол, трансмембранний

калдархеол - знижують проникність мембран в 10-17 разів. Архебактеріальні

мембрани in vitro утворюють везикули діаметром 20-150 мкм, для яких

поверхневий натяг на кордоні повітря-вода становить 32-37 mN/m при 20-70

°C (для порівняння - поверхневий натяг мембранних ліпідів еубактерій - 54-

56 mN/m при 20-70 °C )[50]. Організація клітинних мембран у вигляді

ліпідного моношару значно підвищує їх жорсткість в порівнянні з бішаром, а

також запобігає частим розривам і пошкодженням[2].

На основі таких даних можна зробити висновок, що ліпіди відіграють

певну роль в молекулярних механізмах термофілії, сприяючи

термостабільності мембран, і в тому, що нижня температура росту

гіпертермофілів визначається температурою плавлення мембранних

ліпідів[10].