Экстремофилы в биотехнологии

Экстремофилы в биотехнологии – это применение организмов, которые процветают в экстремальных условиях, к биотехнологии .

Экстремофилы — это организмы, которые процветают в самых нестабильных средах на планете и благодаря своим талантам начали играть большую роль в биотехнологиях. Эти организмы живут повсюду: от среды с высокой кислотностью или соленостью до районов с ограниченным содержанием кислорода или его отсутствием. Ученые проявляют большой интерес к организмам с редкими или странными способностями, и за последние 20-30 лет экстремофилы оказались в авангарде, и тысячи исследователей изучают их способности. ^{[ 1 ]} Областью, в которой больше всего разговоров, исследований и разработок было связано с этими организмами, является биотехнология.

Ученые по всему миру либо извлекают ДНК для модификации геномов, либо напрямую используют экстремофилов для выполнения задач. ^{[ 2 ]} Благодаря открытию и интересу к этим организмам были обнаружены ферменты, используемые в полимеразной цепной реакции (ПЦР) , что сделало возможным быструю репликацию ДНК в лаборатории. С тех пор как они оказались в центре внимания, исследователи собирают базы данных геномных данных в надежде, что новые черты и способности могут быть использованы для дальнейшего биотехнического прогресса. область биотехнологии. Существует много разных видов экстремофилов, каждый из которых предпочитает разную среду. Эти организмы становятся все более важными для биотехнологии, поскольку их геномы были обнаружены, открывая множество генетических возможностей. В настоящее время экстремофилы используются в основном в таких процессах, как ПЦР, производство биотоплива и биодобыча, но существует множество других операций меньшего масштаба. Есть также лаборатории, которые определили, что они хотят делать с экстремофилами, но не смогли полностью достичь своих целей. Хотя эти крупномасштабные цели еще не достигнуты, научное сообщество работает над их достижением в надежде создать новые технологии и процессы.

Обзор экстремофилов

Экстремофилы — это термин, охватывающий большую группу организмов, в первую очередь архейцев , которые в ходе эволюции смогли заполнить ниши чрезвычайно негостеприимной среды. К таким средам относятся высокие или низкие температуры, высокий уровень солености, высокий или низкий уровень pH, а также районы, где преобладают летучие химические вещества. Эти организмы сделали своим домом некоторые из самых нежелательных мест на планете. Несколько примеров таких мест включают термальные источники на дне океана, содовые озера , стоки химических заводов и кучи мусора на свалках.

Выделяют 4 основных типа экстремофилов:

термофилы

Термофильные экстремофилы живут в районах с сильной жарой, лучшим примером которых являются геотермальные источники на дне океана. Преимущество этих организмов заключается в полимерах и ферментах, вырабатываемых в них, поскольку они очень термостабильны. ^{[ 3 ]}^{[ 2 ]}

Галофилия

Галофильные экстремофилы обитают в районах с высокой соленостью, таких как солнечные солеварни и содовые озера. Их способность потреблять и процветать в районах с таким засолением открывает возможные преимущества, такие как прививка сельскохозяйственных культур на богатых солью почвах, чтобы помочь им расти. Другое применение, найденное для них, заключается в производстве полимеров, используемых для изготовления биоразлагаемых пластиков. ^{[ 2 ]}

Метаногены

Метаногенные экстремофилы обитают практически везде и являются наиболее широко распространенными. Эти организмы принимают различные простые органические соединения и используют их для синтеза метана в качестве источника энергии. Других известных организмов, использующих синтез метана в качестве формы производства энергии, не существует. ^{[ 2 ]}

Психрофилы

Психрофильные экстремофилы обладают способностью сохранять высокие темпы роста и ферментативную активность даже при температуре 0°C. Это открывает возможность использования ферментов, обнаруженных в этих организмах, параллельно тому, как используются ферменты термофильных организмов, но при низких температурах, а не при высоких температурах. ^{[ 4 ]}

Способность жить в такой суровой среде обусловлена чертами и способностями организмов, закодированными в их геномах. Изменения, унаследованные с течением времени через ДНК, позволили этим организмам выработать различную устойчивость и иммунитет к изменчивой природе их домов. ^{[ 2 ]} Именно эти черты так зациклили ученых на экстремофилах, поскольку гены, обеспечивающие указанные способности, могут быть взяты у экстремофилов и использованы в различных биотехнических процессах. Хорошим примером может служить то, как Taq-полимераза была выделена из бактерий Thermus aquaticus и затем использована для проведения ПЦР. ^{[ 5 ]} В некоторых случаях можно использовать даже весь организм в зависимости от того, как он функционирует в природе. Хорошим примером этого может быть использование метаногенных экстремофилов для содействия разложению отходов. Хотя выше перечислены только четыре основных типа экстремофилов, есть еще много типов, которые не упомянуты в этой статье.

Важность

Многие биологические и химические процессы, проводимые в лабораториях, занимают много времени, являются чрезвычайно деликатными и, как правило, дорогостоящими. Это связано с тем, что общие биологические ферменты, белки и другие различные органические соединения предъявляют очень специфические требования для правильного функционирования. ^{[ 6 ]} Обычно это умеренные состояния, поэтому их называют мезофильными. Катализаторы, вызывающие изменения температуры, солености или кислотности, могут влиять на мезофильные органические соединения и продукты в рамках данного процесса, что, в свою очередь, отрицательно влияет на результат. Чтобы справиться с этим, ученым в прошлом приходилось использовать более длинные экспериментальные пути для соответствия умеренным условиям. Это, как указывалось ранее, увеличивает время, необходимое для проведения экспериментов и процессов, а также увеличивает затраты. ^{[ нужна ссылка ]}

Чтобы решить эту проблему, ученые обратились к экстремофилам из-за их природных способностей справляться с экстремальными условиями. Эти способности связаны с генами, которые можно изолировать, извлечь и воспроизвести в лаборатории. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} При этом генетическая информация затем может быть имплантирована в данные ферменты, полимеры, протеазы и другие различные органические соединения, чтобы придать им желаемую устойчивость. ^{[ 3 ]} Это позволяет быстро завершить биологические и химические процессы, поскольку можно обойти осторожные и длинные стратегии. Экстремофилы, как сами, так и их ДНК, помогают ученым оптимизировать длительные методы и процессы исследований.

Приложения

ПЦР

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) была разработана в 1980-х годах Кэри Маллисом . ^{[ 5 ]} Позже Муллис получил Нобелевскую премию за создание этого процесса в 1993 году. В ПЦР используется один из термостойких ферментов, обнаруженных у термофила T. aquaticus, для быстрого и эффективного создания копий определенных цепей ДНК. Небольшой образец целевой ДНК добавляется в пробирку вместе с ДНК-праймерами, нуклеотидами ДНК, Taq-полимеразой и буферным раствором. ^{[ 8 ]} Как только эти пять ключевых частей будут объединены, их можно будет поместить в термоциклер для ПЦР. В этом устройстве смесь снова и снова подвергается воздействию ряда температур, чередующихся между 94–95°C, 50–56°C и 72°C. Эти три стадии известны как стадии денатурации, отжига и удлинения. На стадии денатурации при 94–95°C цепи ДНК разделяются, позволяя образовывать новые связи. Затем на стадии отжига при температуре 50–56°C праймеры прикрепляются к одиночным нитям ДНК, чтобы подготовить их к репликации. Наконец, на стадии удлинения при 72°C нити ДНК реплицируются так, как это происходит естественным образом, поскольку добавляются нуклеотиды ДНК, образуя двухцепочечную спираль. ^{[ 8 ]} Эти этапы повторяются несколько раз, пока не будет получено желаемое количество ДНК. Без фермента Taq-полимеразы, продуцируемого T. aquaticus , этот процесс был бы невозможен, поскольку компоненты обычно денатурируют при таких высоких температурах.

Производство биотоплива

Топливо играет большую роль в повседневной жизни: от вождения автомобиля и отопления домов до крупномасштабных промышленных процессов и тяжелого машиностроения. Поскольку природные газы и топливо израсходованы, ученые сосредоточили свое внимание на возможных заменах этих видов топлива. Одним из способов достижения этой цели является использование различных метаногенных и термофильных штаммов бактерий. Эти экстремофилы в больших количествах способны поглощать различные вещества, такие как сахара, целлюлоза и различные отходы, для производства метана, бутанола и биодизеля. ^{[ 9 ]} Хотя бутанол в высоких концентрациях обычно подавляет рост и функционирование биологических организмов, некоторые бактериальные штаммы, в первую очередь термофилы, были созданы для работы с бутанолом даже в высоких концентрациях. Одним из последних достижений в этой области является открытие экстремофильных штаммов водорослей, которые можно использовать для производства биодизельного топлива. Cyanidium Caldarium отмечен как один из наиболее перспективных штаммов из-за высокого содержания липидов в образуемых им биодизельных продуктах. ^{[ 9 ]} Хотя это приложение еще не получило широкого распространения и не получило широкого применения, ученые, работающие в этой области, надеются вскоре найти эффективное и устойчивое решение с участием экстремофилов.

Биомайнинг

Благодаря работе с различными экстремофилами была разработана техника биодобычи. Этот процесс, также известный как биовыщелачивание, включает использование ацидофилов для удаления нерастворимых сульфидов и оксидов из различных металлов, добываемых из земли. ^{[ 9 ]} Обычный процесс кучного выщелачивания включает смешивание добытых металлов с летучими химическими веществами, такими как цианид. Процесс биовыщелачивания считается более безопасным подходом к процессу добычи полезных ископаемых. Наряду с этим это также намного лучше для окружающей среды. Кучное выщелачивание приводит к возможности стоков и разливов, которые отравляют окружающую среду, просачиваясь в землю. При биодобыче это беспокойство уменьшается, поскольку условия можно легко поддерживать с помощью термофильных и ацидофильных штаммов бактерий. ^{[ 9 ]} Этот процесс не только был отмечен как более безопасный и экологически чистый, но также позволяет извлечь больше металла. При кучном выщелачивании степень извлечения составляет около 60%, а при биологическом выщелачивании - до 90%. ^{[ 9 ]} На сегодняшний день с помощью этого процесса успешно добываются золото, серебро, медь, цинк, никель и уран.

Эти три примера, перечисленные выше, представляют собой лишь некоторые из основных применений экстремофилов в биотехнологии, но они не единственные. Другие различные применения, которые не будут здесь полностью описаны, включают: производство каротиноидов, производство протеаз/липаз, производство гликозилгидролазы и производство сахара. ^{[ 9 ]} Эти вторичные применения сосредоточены на производстве биологических соединений, которые могут быть использованы в первичных приложениях, таких как перечисленные выше.

Будущие разработки

Благодаря возросшему интересу к экстремофилам была изобретена революционная методика ПЦР, которая вывела область исследования ДНК на новый уровень. Следуя этой тенденции, ученые как в области биотехнологий, так и в промышленности хотят двигаться дальше и находить новые способы воздействия на научное сообщество. Один из способов, который в настоящее время изучается, — это производство пластмасс галофильными экстремофилами, чтобы современные пластики на нефтяной основе могли уйти в прошлое. ^{[ 6 ]} Это выведет на мировой рынок биоразлагаемые пластмассы, что в долгосрочной перспективе предлагается как способ помочь в борьбе с мировой проблемой мусора. Еще одним достижением, которого ученые надеются добиться с помощью этих организмов, является усиление деградации свалок по всему миру с использованием метаногенных видов, которые питаются обнаруженными там органическими соединениями. ^{[ 10 ]}^{[ 1 ]} Это не только позволит сократить количество отходов, но и, как ожидается, образующийся метан будет собираться и использоваться в качестве источника энергии. Еще одно интересное будущее развитие связано с областью медицины. Некоторые биотехнические лаборатории изучают возможность использования экстремофилов, способных производить на своей поверхности части вирусов, чтобы вызвать реакцию иммунной системы. ^{[ 9 ]} Это поможет тренировать иммунную память и реакцию антител для защиты организма в случае нападения указанного вируса. Хотя это всего лишь несколько примеров, существует множество других достижений и разработок, над которыми работают экстремофилы в надежде создать лучшее будущее.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Коуэн Д.А. (сентябрь 1992 г.). «Биотехнология архей». Тенденции в биотехнологии . 10 (9): 315–23. дои : 10.1016/0167-7799(92)90257-в . ПМИД 1369088 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Герберт Р.А. (ноябрь 1992 г.). «Взгляд на биотехнологический потенциал экстремофилов». Тенденции в биотехнологии . 10 (11): 395–402. дои : 10.1016/0167-7799(92)90282-з . ПМИД 1368881 .
^ Jump up to: ^а ^б Коуэн Д., Дэниел Р., Морган Х. (1985). «Термофильные протеазы: свойства и потенциальное применение». Тенденции в биотехнологии . 3 (3): 68–72. дои : 10.1016/0167-7799(85)90080-0 .
^ Маргезин Р., Шиннер Ф (1994). «Свойства холодоадаптированных микроорганизмов и их потенциальная роль в биотехнологии». Журнал биотехнологии . 33 (1): 1–14. дои : 10.1016/0168-1656(94)90093-0 .
^ Jump up to: ^а ^б Брок Т.Д. (1981). «Экстремальные термофилы родов Thermus и Sulfolobus». Прокариоты . Шпрингер Берлин Гейдельберг. стр. 978–984. ISBN 9783662131893 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Эйхлер Дж. (июль 2001 г.). «Биотехнологическое использование архейных экстремозимов». Достижения биотехнологии . 19 (4): 261–78. дои : 10.1016/s0734-9750(01)00061-1 . ПМИД 14538076 .
^ Сысоев М., Гротцингер С.В., Ренн Д., Эппингер Дж., Рюпинг М., Каран Р. (февраль 2021 г.). «Биоразведка новых экстремозимов из прокариот - появление культуронезависимых методов» . Границы микробиологии . 12 : Статья 630013. doi : 10.3389/fmicb.2021.630013 . ПМК 7902512 . ПМИД 33643258 .
^ Jump up to: ^а ^б Валонес М.А., Гимарайнш Р.Л., Брандао Л.А., де Соуза П.Р., де Альбукерке Таварес Карвальо А., Кровела С. (январь 2009 г.). «Принципы и применение полимеразной цепной реакции в области медицинской диагностики: обзор» . Бразильский журнал микробиологии . 40 (1): 1–11. дои : 10.1590/s1517-83822009000100001 . ПМЦ 3768498 . ПМИД 24031310 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Кокер Дж. А. (24 марта 2016 г.). «Экстремофилы и биотехнология: современное использование и перспективы» . F1000Исследования . 5 : 396. doi : 10.12688/f1000research.7432.1 . ПМК 4806705 . ПМИД 27019700 .
^ Ширальди С., Джулиано М., Де Роза М. (сентябрь 2002 г.). «Перспективы биотехнологического применения архей» . Архея . 1 (2): 75–86. дои : 10.1155/2002/436561 . ПМЦ 2685559 . ПМИД 15803645 .

Дальнейшее чтение

Пенниси Э. (май 1997 г.). «В промышленности экстремофилы начинают оставлять свой след». Наука . 276 (5313): 705–6. дои : 10.1126/science.276.5313.705 . ПМИД 9157551 . S2CID 37375496 .
Брок Т.Д. (август 1997 г.). «Ценность фундаментальных исследований: открытие Thermus aquaticus и других экстремальных термофилов» . Генетика . 146 (4): 1207–10. дои : 10.1093/генетика/146.4.1207 . ПМК 1208068 . ПМИД 9258667 .

[Cowan_1992-1] Jump up to: ^а ^б Коуэн Д.А. (сентябрь 1992 г.). «Биотехнология архей». Тенденции в биотехнологии . 10 (9): 315–23. дои : 10.1016/0167-7799(92)90257-в . ПМИД 1369088 .

[Herbert_1992-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Герберт Р.А. (ноябрь 1992 г.). «Взгляд на биотехнологический потенциал экстремофилов». Тенденции в биотехнологии . 10 (11): 395–402. дои : 10.1016/0167-7799(92)90282-з . ПМИД 1368881 .

[Cowan_1985-3] Jump up to: ^а ^б Коуэн Д., Дэниел Р., Морган Х. (1985). «Термофильные протеазы: свойства и потенциальное применение». Тенденции в биотехнологии . 3 (3): 68–72. дои : 10.1016/0167-7799(85)90080-0 .

[4] Маргезин Р., Шиннер Ф (1994). «Свойства холодоадаптированных микроорганизмов и их потенциальная роль в биотехнологии». Журнал биотехнологии . 33 (1): 1–14. дои : 10.1016/0168-1656(94)90093-0 .

[Brock_1981-5] Jump up to: ^а ^б Брок Т.Д. (1981). «Экстремальные термофилы родов Thermus и Sulfolobus». Прокариоты . Шпрингер Берлин Гейдельберг. стр. 978–984. ISBN 9783662131893 .

[Eichler_2001-6] Jump up to: ^а ^б ^с Эйхлер Дж. (июль 2001 г.). «Биотехнологическое использование архейных экстремозимов». Достижения биотехнологии . 19 (4): 261–78. дои : 10.1016/s0734-9750(01)00061-1 . ПМИД 14538076 .

[pmid33643258-7] Сысоев М., Гротцингер С.В., Ренн Д., Эппингер Дж., Рюпинг М., Каран Р. (февраль 2021 г.). «Биоразведка новых экстремозимов из прокариот - появление культуронезависимых методов» . Границы микробиологии . 12 : Статья 630013. doi : 10.3389/fmicb.2021.630013 . ПМК 7902512 . ПМИД 33643258 .

[Valones_2009-8] Jump up to: ^а ^б Валонес М.А., Гимарайнш Р.Л., Брандао Л.А., де Соуза П.Р., де Альбукерке Таварес Карвальо А., Кровела С. (январь 2009 г.). «Принципы и применение полимеразной цепной реакции в области медицинской диагностики: обзор» . Бразильский журнал микробиологии . 40 (1): 1–11. дои : 10.1590/s1517-83822009000100001 . ПМЦ 3768498 . ПМИД 24031310 .

[Coker_2016-9] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Кокер Дж. А. (24 марта 2016 г.). «Экстремофилы и биотехнология: современное использование и перспективы» . F1000Исследования . 5 : 396. doi : 10.12688/f1000research.7432.1 . ПМК 4806705 . ПМИД 27019700 .

[10] Ширальди С., Джулиано М., Де Роза М. (сентябрь 2002 г.). «Перспективы биотехнологического применения архей» . Архея . 1 (2): 75–86. дои : 10.1155/2002/436561 . ПМЦ 2685559 . ПМИД 15803645 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]