Термус водный
| Термус водный | |
|---|---|
| |
Научная классификация 
| |
| Домен: | Бактерии |
| Тип: | Дейнококкота |
| Сорт: | дейнококки |
| Заказ: | Термальный |
| Семья: | Термовые |
| Род: | Терм |
| Разновидность: | Т. водный
|
| Биномиальное имя | |
| Термус водный Брок и Фриз, 1969 год.
| |
Thermus aquaticus — это вид бактерий , способных переносить высокие температуры, одна из нескольких термофильных бактерий, принадлежащих к типу Deinococcota . Он является источником термостойкого фермента Taq ДНК-полимеразы , одного из наиболее важных ферментов в молекулярной биологии из-за его использования в методе амплификации ДНК полимеразной цепной реакции (ПЦР).
История
[ редактировать ]
Когда в 1960-х годах начались исследования биологических организмов в горячих источниках, ученые думали, что жизнь термофильных бактерий не может поддерживаться при температуре выше 55 °C (131 °F). [ 1 ] Однако вскоре было обнаружено, что многие бактерии в разных источниках не только выживали, но и процветали при более высоких температурах. В 1969 году Томас Д. Брок и Хадсон Фриз из Университета Индианы сообщили о новом виде термофильных бактерий , который они назвали Thermus aquaticus . [ 2 ] Бактерия была впервые выделена из Грибного источника в бассейне Нижнего гейзера Йеллоустонского национального парка , который находится недалеко от главных гейзеров Большой Фонтан и Гейзера Белый Купол . [ 3 ] и с тех пор был обнаружен в аналогичных термальных средах обитания по всему миру. Десятилетия спустя это открытие имело глубокие последствия, включая изобретение биохимиком Кэри Маллисом полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая произвела революцию в исследованиях ДНК и принесла Маллису Нобелевскую премию по химии в 1993 году. ПЦР способствовала прогрессу в медицинской диагностике, генетике и других областях. поля. После открытия Кэри Маллисом ПЦР компания Cetus наградила его 10 000 долларов. Однако позже Cetus продала патент на ПЦР компании F. Hoffmann-La Roche (Roche) за 300 миллионов долларов. Эта сделка заставила Муллиса чувствовать себя обманутым на протяжении всей его жизни. С тех пор компания Roche получила огромную прибыль от патента ПЦР: в 2022 году годовые продажи, связанные с ПЦР, достигли 5,4 миллиарда долларов. Несмотря на эту прибыль, ни Служба национальных парков, Йеллоустонский национальный парк, ни штат Вайоминг не получили никакой доли этих доходов. Признавая научный и финансовый потенциал экстремофилов Йеллоустона, биотехнологические компании, такие как Diversa, подписали соглашения со Службой национальных парков на биоразведку. Это привело к дальнейшим научным исследованиям и потенциальному коммерческому применению, несмотря на некоторые экологические проблемы. В целом, первоначальное открытие Брока в горячих источниках Йеллоустона проложило путь к значительным научным прорывам, продемонстрировав важность фундаментальных исследований для стимулирования инноваций и технического прогресса. [ 4 ]
Биология
[ редактировать ]T. aquaticus лучше всего растет при температуре 65–70 ° C (149–158 ° F), но может выжить при температуре 50–80 ° C (122–176 ° F). Он в первую очередь собирает белки из окружающей среды, о чем свидетельствует большое количество внеклеточных и внутриклеточных протеаз и пептидаз, а также белков-переносчиков аминокислот и олигопептидов через клеточную мембрану. Эта бактерия является хемотрофом она осуществляет хемосинтез — для получения пищи . Однако, поскольку его диапазон температур в некоторой степени совпадает с температурным диапазоном фотосинтезирующих цианобактерий , живущих в его идеальной среде, иногда его можно обнаружить живущим совместно со своими соседями, получая энергию для роста от их фотосинтеза . T. aquaticus обычно дышит аэробно, но один из его штаммов, Thermus aquaticus Y51MC23, можно выращивать в анаэробных условиях. [ 5 ]
Генетический материал T. aquaticus состоит из одной хромосомы и четырех плазмид , а полное секвенирование генома выявило гены CRISPR во многих локусах. [ 6 ]
Морфология
[ редактировать ]Thermus aquaticus обычно имеет цилиндрическую форму диаметром от 0,5 до 0,8 мкм. Более короткая форма стержня имеет длину от 5 до 10 мкм. Более длинная форма нити имеет длину, которая сильно варьируется и в некоторых случаях превышает 200 мкм. T. aquaticus продемонстрировал множество возможных морфологий в разных культурах: в форме палочек или в виде коротких нитей. Палочковидные бактерии склонны к агрегации. Объединения нескольких особей могут привести к образованию сферических тел диаметром от 10 до 20 мкм, называемых также округлыми телами. [ 2 ] [ 7 ] Эти тельца не состоят из клеточной оболочки или компонентов внешней мембраны, как считалось ранее, а вместо этого состоят из реконструированной клеточной стенки пептидогликана. Их точная функция в выживании T. aquaticus остается неизвестной, но предполагается, что они включают временное питание и хранение нуклеотидов, или же они могут играть роль в прикреплении и организации колоний. [ 6 ] Thermus aquaticus — типичная грамотрицательная бактерия, что указывает на то, что ее клеточные стенки содержат значительно меньше пептидогликана по сравнению с грамположительными аналогами. В присутствии солнечного света Термус может проявлять оттенки от желтого до розового или красного, которые видны в горячих источниках. Кроме того, Thermus aquaticus может обладать жгутиками для подвижности или оставаться неподвижными.
Ферменты T. aquaticus
[ редактировать ]T. aquaticus прославился как источник термостабильных ферментов, в частности ДНК-полимеразы Taq , как описано ниже.
Альдолаза
[ редактировать ]Исследования этой чрезвычайно термофильной бактерии, которую можно было выращивать в клеточной культуре, изначально были сосредоточены на попытках понять, как ферменты , которые обычно неактивны при высокой температуре, могут функционировать при высокой температуре у термофилов . В 1970 году Фриз и Брок опубликовали статью, описывающую термостабильный фермент альдолазу из T. aquaticus . [ 8 ]
РНК-полимераза
[ редактировать ]Первым ферментом -полимеразой , выделенным из T. aquaticus в 1974 году, была ДНК-зависимая РНК-полимераза . [ 9 ] используется в процессе транскрипции .
Taq I Фермент рестрикции
[ редактировать ]Большинство молекулярных биологов, вероятно, узнали о T. aquaticus в конце 1970-х или начале 1980-х годов из-за выделения полезных эндонуклеаз рестрикции . из этого организма [ 10 ] Использование термина Taq обозначения Thermus для aquaticus . возникло в это время из-за общепринятого присвоения ферментам рестрикции коротких названий, таких как Sal и Hin, происходящих от рода и вида исходных организмов
ДНК-полимераза («Taq pol»)
[ редактировать ]ДНК-полимераза была впервые выделена из T. aquaticus в 1976 году. [ 11 ] Первое преимущество, обнаруженное для этой термостабильной (оптимальная температура 72°C, не денатурирует даже при 95°C) ДНК-полимеразы, заключалось в том, что ее можно было выделить в более чистой форме (без других ферментных примесей), чем ДНК-полимеразу из других источников. . Позже Кэри Маллис и другие исследователи из Cetus Corporation обнаружили, что этот фермент можно использовать в процессе полимеразной цепной реакции (ПЦР) для амплификации коротких сегментов ДНК . [ 12 ] исключение необходимости добавления ферментов-полимераз E. coli после каждого цикла термической денатурации ДНК. Фермент также был клонирован , секвенирован , модифицирован (для получения более короткого «фрагмента Стоффеля») и произведен в больших количествах для коммерческой продажи. [ 13 ] В 1989 году журнал Science назвал полимеразу Taq своей первой «молекулой года». [ 14 ] В 1993 году Маллис был удостоен Нобелевской премии по химии за работу в области ПЦР. [ 15 ]
Другие ферменты
[ редактировать ]Высокая оптимальная температура для T. aquaticus позволяет исследователям изучать реакции в условиях, при которых другие ферменты теряют активность. Другие ферменты, выделенные из этого организма, включают ДНК-лигазу , щелочную фосфатазу , НАДН-оксидазу , изоцитратдегидрогеназу , амиломальтазу и фруктозо-1,6-дифосфат-зависимую L-лактатдегидрогеназу .
Споры
[ редактировать ]Коммерческое использование ферментов T. aquaticus не обошлось без противоречий. После исследований Брока образцы организма были депонированы в Американской коллекции типовых культур , публичном хранилище. Другие учёные, в том числе на Цетусе, получили его оттуда. Когда в 1990-х годах стал очевиден коммерческий потенциал Taq -полимеразы, [ 16 ] Служба национальных парков назвала его использование «Великим Так ». грабежом [ 17 ] Исследователи, работающие в национальных парках, теперь обязаны подписывать соглашения о «распределении выгод», по которым часть последующей прибыли будет отправляться обратно в Службу парков.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ↑ Эссе Томаса Брока «Жизнь при высоких температурах».
- ^ Перейти обратно: а б Брок Т.Д.; Фриз Х (1969). « Thermus aquaticus , экстремальный термофил, не образующий спор» . Дж. Бактериол . 98 (1): 289–97. дои : 10.1128/jb.98.1.289-297.1969 . ПМК 249935 . ПМИД 5781580 .
- ^ Брайан, Т. Скотт (2008). Гейзеры Йеллоустона, (4-е изд.). Университетское издательство Колорадо. ISBN 978-0-87081-924-7 .
- ^ Ши, М. (nd). Обнаружение жизни в Йеллоустоне, где никто не думал, что она может существовать (Служба национальных парков США). Домашняя страница NPS.Gov (Служба национальных парков США). Получено 26 марта 2024 г. с https://www.nps.gov/articles/thermophile-yell.htm.
- ^ Пирсон, Беверли К.; Баулд, Джон; Кастенхольц, Ричард В.; Д'Амелио, Элиза; Марэ, Дэвид Дж. Дес; Фармер, Джек Д.; Гротцингер, Джон П.; Йоргенсен, Бо Баркер; Нельсон, Дуглас К. (26 июня 1992 г.), Шопф, Дж. Уильям; Кляйн, Корнелис (ред.), «Современные микробные сообщества, строящие коврик: ключ к интерпретации протерозойских строматолитовых сообществ», Протерозойская биосфера (1-е изд.), Cambridge University Press, стр. 245–342, doi : 10.1017/ cbo9780511601064.008 , ISBN 978-0-521-36615-1
- ^ Перейти обратно: а б Брамм, Филип Дж.; Монсма, Скотт; Кио, Брендан; Ясиновица, Светлана; Фергюсон, Эрин; Шенфельд, Томас; Лодес, Майкл; Мид, Дэвид А. (2015). «Полная последовательность генома Thermus aquaticus Y51MC23» . ПЛОС ОДИН . 10 (10): e0138674. Бибкод : 2015PLoSO..1038674B . дои : 10.1371/journal.pone.0138674 . ISSN 1932-6203 . ПМЦ 4605624 . ПМИД 26465632 .
- ^ Брок Т.Д.; Эдвардс М.Р. (1970). «Тонкая структура Thermus aquaticus , крайнего термофила» . Дж. Бактериол . 104 (1): 509–517. дои : 10.1128/jb.104.1.509-517.1970 . ПМК 248237 . ПМИД 5473907 .
- ^ Заморозить H; Брок Т.Д. (1970). «Термостабильная альдолаза из Thermus aquaticus» . Дж. Бактериол . 101 (2): 541–50. дои : 10.1128/jb.101.2.541-550.1970 . ПМЦ 284939 . ПМИД 4984076 .
- ^ Эйр ГМ; Харрис Дж.И. (1974). «ДНК-зависимая РНК-полимераза термофильной бактерии Thermus aquaticus » . Письма ФЭБС . 38 (3): 277–281. дои : 10.1016/0014-5793(74)80072-4 . ПМИД 4604362 . S2CID 38553550 .
- ^ Сато, С. (февраль 1978 г.). «Однократное расщепление ДНК обезьяньего вируса 40 (SV40) сайт-специфической эндонуклеазой Thermus aquaticus, Taq I». Дж. Биохим . 83 (2): 633–5. doi : 10.1093/oxfordjournals.jbchem.a131952 . ПМИД 204628 .
- ^ Чиен, А; Эдгар Д.Б.; Трела Дж. М. (1 сентября 1976 г.). «Полимераза дезоксирибонуклеиновой кислоты крайнего термофила Thermus aquaticus» . Дж. Бактериол . 127 (3): 1550–7. дои : 10.1128/jb.127.3.1550-1557.1976 . ПМК 232952 . ПМИД 8432 .
- ^ Сайки, РК; и др. (1988). «Праймер-направленная ферментативная амплификация ДНК с помощью термостабильной ДНК-полимеразы» . Наука . 239 (4839): 487–91. Бибкод : 1988Sci...239..487S . дои : 10.1126/science.239.4839.487 . ПМИД 2448875 .
- ^ Юрист ФК; и др. (1993). «Высокоуровневая экспрессия, очистка и ферментативная характеристика полноразмерной ДНК-полимеразы Thermus aquaticus» . Геномные исследования . 2 (4): 275–87. дои : 10.1101/гр.2.4.275 . ПМИД 8324500 .
- ^ Гайер Р.Л.; Кошланд Д.Э. (декабрь 1989 г.). «Молекула года». Наука . 246 (4937): 1543–6. дои : 10.1126/science.2688087 . ПМИД 2688087 .
- ^ Маллис, Кэри Б. (8 декабря 1993 г.). «Нобелевская лекция – Полимеразная цепная реакция» .
- ^ Фор Дж; Вичерс ИК; Кук-Диган Р. (2006). «Влияние деловой практики, лицензирования и интеллектуальной собственности на развитие и распространение полимеразной цепной реакции: тематическое исследование» . Коллаборация J Biomed Discov . 1 :7. дои : 10.1186/1747-5333-1-7 . ПМЦ 1523369 . ПМИД 16817955 . — Подробная история Cetus и коммерческие аспекты ПЦР.
- ^ Роббинс Дж. (28 ноября 2006 г.). «В поисках частной прибыли в общественных парках страны» . Нью-Йорк Таймс .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Брок, Томас Д. (1 августа 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 .
- Хоган, К. Майкл (2010). «Экстремофилы» . Энциклопедия Земли . 146 (4): 1207–10. дои : 10.1093/генетика/146.4.1207 . ПМК 1208068 . ПМИД 9258667 .