Курсовой проект - Екстремальні гіпертермофільні археї

Подождите немного. Документ загружается.

Крім того комерційну цінність мають термостабільні ДНК-лігази

( оптимум дії в межах 45 до 80°C; період напіврозпаду: 1 год. при 95°C),

метіонін-амінопептидази ( опт. активність при 85-95°C, pH 7.0-8.0;

стабільність: 1 год. при 75°C), серинові протеази (опт. при 85-95°C, pH 6.0-

8.0; стабільність: 80% після 3 год. при 95°C) , виділені з Pyrococcus furiosus,

які використовують в методах ампліфікації ДНК, генної інженерії та деяких

біохімічних процедурах[18].

8.2. Використання в промислових процесах гідролізу крохмалю

Технологічні процеси обробки крохмалю включають його гідроліз до

глюкозних, мальтозних або інших олігосахаридних сиропів, які потім

використовують як субстрати бродіння для отримання різноманітних

органічних сполук (наприклад, етанолу лізину і лимонної кислоти.

Біогідроліз крохмалю включає дві стадії, плавлення і сахарифікацію, які

проходять за високих температур. Протягом першої крохмаль плавиться до

гомогенної густої маси протягом 5 хвилин за температури від 105 до 110°C у

водному розчині (pH 5.8 до 6.5) а потім частково гідролізується по ά -1,4

зв'язках термостабільними ά-амілазами при 95°C за 2 чи 3 години.

Температура і pH строго контролюються ( якщо вона впаде нижче 105°C,

відбудеться неповний розплав крохмалю, який може викликати проблеми

при фільтрації; якщо ж збільшиться вище 105°C – то ά-амілази інактивуються

). Протягом наступної стадії – сахарифікації -- pH знижують до 4.2 до 5.0, а

температуру -- до 55 до 60°C; при цьому крохмаль перетворюється на низько-

молекулярні полісахариди аж до глюкози чи мальтози. Сиропи глюкози (до

95 -- 96%) виробляються з використанням пуллуланази і глюкоамілази в

комбінації, сиропи мальтози (до 80 до 85%) -- з використанням пуллуланази

та β-амілази[60]. До нашого часу для даних потреб використовували

ферменти термофілів (Bacillus licheniformis, Bacillus stearothermophilus та

інших), але гіпертермофільні археї виробляють значно більш термостабільні

ензими. Їх використання дозволяє підняти температуру технологічного

процесу ( завдяки чому зменшується його час), здешевити його ( можна

збільшувати концентрацію субстрату - крохмалю, менше використовувати

ферменту - завдяки його тривалому періоду напіврозпаду ), знизити ризики

бактеріального забруднення[18]. Впроваджуються ά-амілази ( з оптимумом

при 100°C, pH 5-6 ) отримані з Pyrococcus furiosus, Pyrococcus woesei,

Pyrodictium abyssi, Thermococcus profundus та ін.; амілопуллуланази з

Pyrococcus furiosus ( опт. 105°C, pH 6.0; період напіврозпаду -- 44 години

(90°C) в присутності 5 мM CaCl

), Thermococcus hydrothermalis,

Thermococcus litoralis, Thermococcus celer; глюкоамілази з Methanococcus

jannaschii та деякі інші ферменти. Дані ензими можуть знайти практичне

значення і в інших галузях промисловості[60].

8.3. Використання в інших промислових процесах

Слід відмітити, що на даний час в промисловості найчастіше

використовують термостабільні ферменти гіпертермофільних бактерій,

натомість архейні ензими значно менш поширені. З найбільш важливих

можна відмітити естерази Pyrococcus furiosus ( опт. при 100°C, pH 7.6; період

напіврозпаду - 2 години (120°C)), альдолази та цитохроми P450 з Sulfolobus

solfataricus, що використовують в хімічному синтезі в реакціях

трансестерефикації та стереоселективному гідроксилюванні[61]. В харчовій

промисловості знаходять використання β-1,4-ендоглюканази з Pyrococcus

furiosus ( опт. при 100°C, pH 6.0; період напіврозпаду - 1.6 години (105°C)),

зокрема, для приготування кормів тварин[18]. Перспективним для

використання є фермент цикломальтодекстрин глюканотрансфераза (опт.

при 90-100°C, pH 5.0-5.5, період напіврозпаду - 40 хвилин (110°C))

отриманий з гіпертермофільних архей роду Thermococcus, що каталізує

реакцію перетворення олігодекстринів до циклодекстринів, гідрофобні

внутрішні області яких можуть захоплювати різні гідрофобні молекули[62].

Ця властивість циклодекстринів застосовується в харчовій, косметичній та

фармацевтичній промисловостях, де вони використовуються для

нейтралізації небажаних смаків або ароматів, стабілізують нестійкі суміші,

збільшують водорозчинність гідрофобних субстанцій і захищають їх від

небажаних перетворень[18]. Перспективи впровадження інших

термостабільних ферментів дійсно вражають, адже велика кількість

промислових процесів вимагає для ефективності високих температур, де

ензими гіпертермофільних архей діють ідеально і можуть бути значно більш

кориснішими за будь-які інші каталізатори.

ВИСНОВКИ

Дана робота засвідчує : гіпертермофільні археї представляють собою

один з найсвоєрідніших класів живих істот. Поряд з доведеною древністю їх

походження, висловлюється думка про те, що екстремофіли лежать біля

витоків життя на планеті[28], тому можуть надати цінну інформацію про

найзагальніші питання можливості самозародження життя на Землі чи будь-

де в космосі. Виходячи з цього, в даній роботі була приділена увага саме тим

аспектам їхньої природи, що відображали б основи життєдіяльності

гіпертермофілів в термальних біотопах, без їх детального молекулярного

розгляду в світлі порівняння з іншими типами живих істот. Беручи до уваги

дане твердження, в цілому ціль роботи досягнута шляхом розв’язання

поставлених задач :

1.Коротко викладена історія дослідження екстремальних архей

засвідчила, що такі унікальні риси цих мікроорганізмів часто змушували

вчених переглядати основні біологічні принципи : як правила Пастера, так і

філогенетичні відносини, -- для щоб знайти місце екстремалів в системі

живого світу.

2. Вражаючі зайняті ними термальні біотопи, опису яких була

приділена значна увага, засвідчили необхідність розуміння вироблених

пристосувальних механізмів екстремалів протягом еволюційного розвитку.

3. Проблеми філогенетичного та таксономічного положення цієї групи

мікроорганізмів, показані в світлі альтернативних класифікацій, наголосили

на необхідності подальших досліджень архей.

4. Охарактеризовано загальні морфологічні та фізіологічні риси

гіпертермофільних архей в умовах екстремальних факторів навколишнього

середовища.

5. Широко розглянуто основні риси термоадапції молекулярних

структур гіпертермофілів; висвітлено фактори, що впливають на їх

стабільність.

6. Показані приклади успішного використання термостабільних

ферментів з гіпертермофільних архей в різних галузях науки та народного

господарства, їх переваги та перспективи.

Саме існування гіпертермофільних організмів засвідчує, що жива

природа наділена неймовірною здатністю до пристосування в найбільш

екстремальних системах Всесвіту. Їх вивчення – ключ до розгадки таємниці

життя і походження людства.

ЛІТЕРАТУРА

1. Significant contribution of Archaea to extant biomass in marine subsurface

sediments / J. S. Lipp, Y. Morono, F. Inagak, K.-U. Hinrichs // Nature. - 2008. -

V. 454. - P. 991–994.

2. Гусев М.В., Минеева Л.В. Микробиология. -- М.: Издательский центр

«Академия», 2003. – С.408-436.

3. Лалаянц И. Микромир жизни: Ныряя под барьер!// Гены и история. – 1999.

- №12. – 243 с.

4. Маркина Н. Жизнь на границе жизни // Наука и жизнь. -- 2002. -- №9. –

С.20-24.

5. Hjort K., Bernander R. Cell cycle regulation in the hyperthermophilic

crenarchaeon Sulfolobus acidocaldarius // Mol. Microbiol. - 2001. - V. 40. – Р.

225-234.

6. Extending the Sub-Sea-Floor Biosphere / Roussel E. G., С. Bonavita M.-A.,

Querellou J., Cragg B. A., Webster G., Prieur D., Parkes R. J. // Science. -

2008. -V. 320. - P. 1046.

7. Морозова О.В. Загадки архей и их фагов // Вестник ВОГиС. – 2005. – Т.9,

№1 – С.55-66.

8. Несис К.Н. Микробы под дном океана и внеземная жизнь // Природа. –

2002. - №7. – 34 с.

9. Озернюк Н.Д. Температурние границы жизни // Природа. – 2003. - №2. –

68 с.

10. Brock T. D. Microbiology in Yellowstone at first focused on the basic

scienceand ecology but gradually has expanded in scope // ASM News. – 1998.

–V. 64, №3. – Р.137-140.

11. Stetter K. O. History of discovery of the first hyperthermophiles //

Extremophiles. – 2006. - №10. – Р.357–362.

12. Рокова Н.Г. Жизнь в точке кипения //По материалам журнала Bild der

Wissenschaft. – 1995. - № 7. – С. 55-67.

13. Castenholz R. W. Life in Thermal Habitats // Science.- 1979. - V. 203, №9. -

Р.538 – 539.

14. Jongsareejit B. Hyperthermophilic Archaea // Silpakorn univercity

International Journal. – 2008. – V. 8, №1 – Р.166-180.

15. Hurst L. D., Merchant A. R. High guanine-cytosine content is not an adaptation

to high temperature: a comparative analysis amongst prokaryotes //

Proceedings. Biological sciences / The Royal Society. – 2001. - V.268, №1466. –

Р.493–497.

16. Forterre P. A hot story from comparative genomics: reverse gyrase is the only

hyperthermophile-specific protein // Trends Genetic.- 2002. - №18. – Р.236–

237.

17. Atomi H., Matsumi R., Imanaka T. Reverse Gyrase Is Not a Prerequisite for

Hyperthermophilic Life // Journal Bacteriol. – 2004. - V.186, №14. – Р.4829–

4833.

18. Vieille C., Zeikus G. J. Hyperthermophilic Enzymes: Sources, Uses, and

Molecular Mechanisms for Thermostability // Microbiology and Molecular

Biology Reviews. – 2001. - V.65, №.1. – Р.143-175.

19. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и

применение. Пер. с англ. — М.: Мир, 2002. — 589 с.

20. Kashefi K., Lovley D.R. Extending the upper temperature limit for life //

Science. – 2003. - V.301, №5635. - p. 934.

21. Cell proliferation at 122°C and isotopically heavy CH

production by a

hyperthermophilic methanogen under high-pressure cultivation / Takai K.,

Nakamura K., Toki T., Tsunogai U., Miyazaki M., Miyazaki J., Hirayama H.,

Nakagawa S., Nunoura T., Horikoshi K. // Proceedings of the National

Academy of Sciences.USA. – 2008. – V.105, №31. – Р.10949-10954.

22. Gold T. The deep, hot biosphere //. Proceedings of the National Academy of

Sciences.USA. - 1992. - V.89. - P. 6045–6049.

23. Hyperthermophilic Microorganisms / Stetter K.O., Fiala G., Huber G., Huber

R., Segerer A // FEMS Microbiology Letters. – 1999. – V.75, №3. – Р.170-

184..

24. Biology of microorganisms / Brock T. D., Madigan M.T., Martinko J.M.,

Parker J. – US.:Pearson Education, 2008. – Р.420-458.

25. Presence of Acetyl Coenzyme A (CoA) Carboxylase and Propionyl-CoA

Carboxylase in Autotrophic Crenarchaeota and Indication for Operation of a 3-

Hydroxypropionate Cycle in Autotrophic Carbon Fixation / Menendez C.,

Bayer Z., Huber H., Gad’on N., Stetter K.O., Fuchs G. // Journal of

Bacteriology. – 1999. - №4. – Р.1088–1098.

26. The genome of Nanoarchaeum equitans: insights into early archaeal evolution

and derived parasitism / Waters E., et al. - Proceedings of the National

Academy of Sciences.USA. – 2003. V.100, №12984. – 8 р.

27. Hyperthermophily and the origin and earliest evolution of life / Islas S.,

Velasco A.M., Becerra A., Delaye L., Lazcano A. // Intеrnational Microbioljgy.

- 2003. - №6. – Р.87–94.

28. Stetter K.O. Hyperthermophiles –Life in a Hot and Inorganic Environment //

Nova Acta Leopoldina. – 2008. - V.96, №356. – Р.13–18.

29. A genome phylogeny for mitochondria among α-Proteobacteria and a

predominantly eubacterial ancestry of yeast nuclear genes / Esser C.,

Ahmadinejad N., Wiegand C., Rotte C., Sebastiani F., Gelius-Dietrich G.,

Henze K., Kretschmann E., Richly E., Leister D., Bryant D., Steel M.A.,

Lockhart P.J., Penny D., Martin W. //Mol. Biol. and Evol. - 2004. - V. 21, № 9.

- P. 1643–1660.

30. Шаталкин А.И. Высший уровень деления в классификации организмов. 3.

Одноплёночные (Monodermata) и двуплёночные (Didermata) организмы //

Журн. общ. биологии.- 2004. - Т. 65, № 3. - С. 195–210.

31.Gupta R.S. Protein phylogenies and signature sequences: a reappraisal of

evolutionary relationships among Archaebacteria, Eubacteria, and Eukaryotes

// Microbiol. Mol.Biol. Rev. - 1998. - V. 62. - P. 1435–1491.

32. Cavalier-Smith T. A revised six-kingdom system of life // Biol. Rev. Camb.

Philos. Soc.- 1998. - V. 73. - P. 203–266.

33. Makarova K., Koonin E. DOMAIN ARCHAEA //Genome Biology - 2003. -

V.4, №8. - Р.115.

34. Pyrite formation linked with hydrogen evolution under anaerobic conditions /

Drobner E., Huber H., Wächtershäuser G., Rose D., Stetter K.O. // Nature. -

1990. - №346. – Р.742.

35. Hyperthermophilic archaea are thriving in deep North Sea and Alaskan oil

reservoirs / Stetter K. O., Huber R., Blеchl E., Kurr M., Eden R. D., Fielder

M., Cash H., Vance I. // Nature. – 1993. - №365. – Р. 743-745.

36. Hyperthermophilic archaebacteria within the crater and open-sea plume of

erupting Macdonald Seamount / Huber R., Stoffers P., Cheminee J.L.,

Richnow H.H., Stetter K.O. // Nature. - 1990. - №345. – Р.179.

37. Distribution of Archaea in a Black Smoker Chimney Structure /Takai K.,

Komatsu T., Inagaki F., Horikoshi K. // Applied and Environmental

Microbiology. – 2001. - V.67, №8. - Р.3618-3629.

38. Summit M. Baross J.A. A novel microbial habitat in the mid-ocean ridge

subseafloor // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. - 2001. - №98. – Р.2158-2163.

39. A thermophilic acidophilic mycoplasm isolated from a coal refuse pile /

Darland G., Brock T.D., Samsonoff, W. , Conti, S.F.// Science. – 1970. - №170.

-- Р.1416-1418.

40. Embden–Meyerhof–Parnas and Entner–Doudoroff pathways in Thermoproteus

tenax: metabolic parallelism or specific adaptation? / Ahmed H., Tjaden B,

Hensel R. and. Siebers B. // Biochemical Society Transactions. -- 2004. – V.32,

part 2. – Р.303-304.

41. Arab H., Volker H., Thomm M. Thermococcus aegaeicus sp. nov. and

Staphylothermus hellenicus sp. nov., two novel hyperthermophilic archaea

isolated from geothermally heated vents off Palaeochori Bay, Milos, Greece //

International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. – 2000. -

V.50. - Р.2101-2108.

42. Cell Surface Structures of Archaea / Sandy Y. M. Zolghadr B., Driessen A. J.

M., Albers S.-V., Jarrell

K. F. // Journal of Bacteriology. – 2008. - V. 190,

№18. -Р.6039-6047.

43. Stetter. K. O. Hyperthermophilic prokaryotes //FEMS Microbiology Reviews. -

2006. – V.18, Issue 2-3. – P.149 – 158.

44. Ferroglobus placidus gen. nov., sp. nov., a novel hyperthermophilic archaeum

that oxidizes Fe2+ at neutral pH under anoxic conditions / Hafenbradl D. ,

Keller M. , Dirmeier R. , Rachel R. , Roßnagel P. , Burggraf S. , Huber

H.,

Stetter K. O. // Archives of Microbiology – 1996. -V. 166, №5. - Р. 308-314.

45. Aeropyrum pernix gen. nov., sp. nov., a novel aerobic hyperthermophilic

archaeon growing at temperatures up to 100 degrees C / Sako Y, Nomura N,

Uchida A, et al // Int. J. Syst. Bacteriol. - 1996. - V.46,№ 4. – Р.1070–1077.

46. Archaeoglobus profundus sp. nov., represents a new species within the sulfate-

reducing archaebacteria / Burggraf S. , Jannasch, H.W. Nicolaus B. Stetter,

K.O.//

Systematic and Applied Microbiology. - 1990. - V.13, №1. - Р.24-28.