Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Pyrococcus furiosus
Pyrococcus furiosus.png
Pyrococcus furiosus
Научная классификация
Домен:
Архей
Королевство:
Euryarchaeota
Тип:
Euryarchaeota
Учебный класс:
Термококки
Заказ:
Термококки
Семья:
Термококковые
Род:
Пирококк
Разновидность:
P. furiosus
Биномиальное имя
Pyrococcus furiosus
Erauso et al. 1993 г.

Pyrococcus furiosus - экстремофильный вид архей . Его можно классифицировать как гипертермофил, потому что он лучше всего растет при чрезвычайно высоких температурах - более высоких, чем те, которые предпочитают термофилы . Он примечателен тем, что имеет оптимальную температуру роста 100 ° C (температура, которая уничтожит большинство живых организмов) и является одним из немногих организмов, идентифицированных как обладающиеферментами альдегид-ферредоксин-оксидоредуктаза, содержащими вольфрам , элемент, редко встречающийся в биологических молекулах.

Свойства [ править ]

Этот вид был взят из термальных морских отложений и изучен путем выращивания в лабораторных условиях. Pyrococcus furiosus отличается быстрым удвоением времени в 37 минут при оптимальных условиях, что означает, что каждые 37 минут количество отдельных организмов умножается на 2, что дает кривую экспоненциального роста. Он выглядит как в основном правильные кокки - что означает, что он имеет примерно сферическую форму - диаметром от 0,8 до 1,5 мкм с монополярным политрихозным жгутиком. Каждый организм окружен клеточной оболочкой, состоящей из гликопротеина, называемой S-слоем .

Он растет от 70  ° C (158  ° F ) до 103 ° C (217 ° F), с оптимальной температурой 100 ° C (212 ° F) и между pH 5 и 9 (с оптимумом при pH 7). Он хорошо растет на дрожжевом экстракте, мальтозе , целлобиозе , β-глюканах, крахмале и источниках белка (триптон, пептон, казеин и мясные экстракты). Это относительно широкий диапазон по сравнению с другими археями. Рост аминокислот, органических кислот, спиртов и большинства углеводов (включая глюкозу , фруктозу , лактозу и галактозу ) очень медленный или отсутствует . Продуктами метаболизма P. furiosus являются CO 2.и H 2 . Присутствие водорода серьезно тормозит его рост и метаболизм; Однако этот эффект можно обойти, введя серу в окружающую среду организма. В этом случае H 2 S может вырабатываться в ходе метаболических процессов, хотя эта серия реакций, по-видимому, не дает энергии. Интересно отметить, что, в то время как многие другие гипертермофилы зависят от серы для роста, P. furiosus этого не делает.

P. furiosus также примечателен необычной и удивительно простой дыхательной системой, которая получает энергию за счет восстановления протонов до газообразного водорода и использует эту энергию для создания электрохимического градиента через клеточную мембрану, тем самым стимулируя синтез АТФ . Такая система могла быть очень ранним эволюционным предшественником дыхательных систем у всех современных высших организмов. [1]

Использует [ редактировать ]

В энзимы из Pyrococcus furiosus чрезвычайно термостабильные. Как следствие, ДНК - полимеразы из P. furiosus (также известный как Pfu ДНК - полимеразы ) , могут быть использованы в полимеразной цепной реакции процесса амплификации ДНК (ПЦР).

В амплификации ДНК [ править ]

У P. furiosus была обнаружена ДНК-полимераза, которая, как считалось, не связана с другими известными ДНК-полимеразами, поскольку не было обнаружено значительной гомологии последовательностей между двумя его белками и белками других известных ДНК-полимераз. Эта ДНК-полимераза обладает сильной 3'-5'-экзонуклеолитической активностью и предпочтением матрица-праймер, что характерно для репликативной ДНК-полимеразы, что заставляет ученых полагать, что этот фермент может быть репликативной ДНК-полимеразой P. furiosus . [2] С тех пор он был помещен в семейство полимераз B, то же самое, что и ДНК-полимераза II . Его структура, которая кажется вполне типичной для Полимеразы B, также была решена. [3] [4]

При производстве диолов [ править ]

Одним из практических применений P. furiosus является производство диолов для различных промышленных процессов. Ферменты P. furiosus можно использовать в таких отраслях, как пищевая, фармацевтическая и тонкая химия, где алкогольдегидрогеназы необходимы для производства энантио- и диастереомерно чистых диолов. Ферменты гипертермофилов, таких как P. furiosus, могут хорошо работать в лабораторных условиях, потому что они относительно устойчивы: они обычно хорошо работают при высоких температурах и высоких давлениях, а также при высоких концентрациях химикатов.

Чтобы сделать ферменты природного происхождения полезными в лаборатории, часто необходимо изменить их генетический состав. В противном случае естественные ферменты могут оказаться неэффективными в искусственно вызванной процедуре. Хотя ферменты P. furiosus оптимально функционируют при высокой температуре, ученым не обязательно проводить процедуру при 100 ° C (212 ° F). Следовательно, в этом случае специфический фермент AdhA был взят из P. furiosus и подвергнут различным мутациям в лаборатории, чтобы получить подходящую алкогольдегидрогеназу для использования в искусственных процессах. Это позволило ученым получить мутантный фермент, который мог эффективно функционировать при более низких температурах и поддерживать продуктивность. [5]

В растениях [ править ]

Экспрессия определенного гена, обнаруженного у P. furiosus в растениях, также может сделать их более долговечными за счет повышения их устойчивости к теплу. В ответ на стрессы окружающей среды, такие как тепловое воздействие, растения производят активные формы кислорода, которые могут привести к гибели клеток. Если эти свободные радикалы удалить, гибель клеток может быть отложена. Ферменты в растениях, называемые супероксиддисмутазами, удаляют из клеток супероксид-анион-радикалы , но увеличение количества и активности этих ферментов - трудный и не самый эффективный способ улучшить жизнеспособность растений. [6]

Путь введения супероксида редуктазы из P. furiosus в растения, уровни O 2 может быть быстро уменьшены. [ необходима цитата ] Ученые протестировали этот метод с использованием растения Arabidopsis thaliana . В результате этой процедуры гибель клеток у растений происходит реже, что приводит к снижению выраженности реакции на стресс окружающей среды. Это увеличивает выживаемость растений, делая их более устойчивыми к световому, химическому и тепловому стрессу.

Это исследование потенциально может быть использовано в качестве отправной точки для создания растений, которые могли бы выжить в более суровых климатических условиях на других планетах, таких как Марс. Вводя больше ферментов экстремофилов, таких как P. furiosus, в другие виды растений, можно создать невероятно устойчивые виды. [7]

В исследовании аминокислот [ править ]

Сравнивая P. furiosus с родственным видом архей, Pyrococcus abyssi , ученые попытались определить корреляцию между определенными аминокислотами и сродством к определенным давлениям у разных видов. P. furiosus не барофилен , в то время как P. abyssi - это значит, что он оптимально функционирует при очень высоких давлениях. Использование двух гипертермофильных видов архей уменьшает возможность отклонений, связанных с температурой окружающей среды, существенно сокращая переменные в дизайне эксперимента. [8]

Помимо получения информации о барофильности определенных аминокислот, эксперимент также предоставил ценную информацию о происхождении генетического кода и его организационных влияниях. Было обнаружено, что большинство аминокислот, определяющих барофильность, также играют важную роль в организации генетического кода. Также было обнаружено, что более полярные аминокислоты и более мелкие аминокислоты с большей вероятностью будут барофильными. Путем сравнения этих двух архей был сделан вывод, что генетический код, вероятно, был структурирован под высоким гидростатическим давлением, и что гидростатическое давление было более влиятельным фактором при определении генетического кода, чем температура. [8]

Открытие [ править ]

Pyrococcus furiosus был первоначально изолирован анаэробно из геотермально нагретых морских отложений с температурами от 90 ° C (194 ° F) до 100 ° C (212 ° F), собранных на пляже Порто Леванте, остров Вулкано , Италия. Впервые он был описан Карлом Стеттером из Регенсбургского университета в Германии и его коллегой Герхардом Фиала. Pyrococcus furiosus фактически явился источником нового рода архей с его относительно недавним открытием в 1986 году [9].

Геном [ править ]

Секвенирование полного генома из Pyrococcus furiosus была завершена в 2001 году ученые из Университета штата Мэриленд Институт биотехнологии . Команда Мэриленда обнаружила, что в геноме 1 908 килобаз, кодирующих около 2065 белков. [10]

Научное название [ править ]

Название Pyrococcus в переводе с греческого означает «огненный шар», что означает круглую форму экстремофила и его способность расти при температуре около 100 градусов по Цельсию. Название вида furiosus на латыни означает «стремительное движение» и относится к времени удвоения экстремофилов и их быстрому плаванию. [9] [11]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Сапра, R; Баграмян, К; Адамс, MWW (2003). «Простая энергосберегающая система: восстановление протонов в сочетании с перемещением протонов» . Труды Национальной академии наук . 100 (13): 7545–50. Bibcode : 2003PNAS..100.7545S . DOI : 10.1073 / pnas.1331436100 . PMC  164623 . PMID  12792025 .
  2. ^ Уэмори, Такаши; Сато, Йошими; Като, Икуношин; Дои, Хирофуми; Ишино, Йошизуми (1997). «Новая ДНК-полимераза гипертермофильных архей Pyrococcus furiosus: клонирование, экспрессия и характеристика генов» . Гены в клетки . 2 (8): 499–512. DOI : 10.1046 / j.1365-2443.1997.1380336.x . PMID 9348040 . 
  3. ^ Ишино, S; Ишино, Ю. (2014). «ДНК-полимеразы как полезные реагенты для биотехнологии - история развития исследований в этой области» . Границы микробиологии . 5 : 465. DOI : 10,3389 / fmicb.2014.00465 . PMC 4148896 . PMID 25221550 .  
  4. ^ Ким, Сон Ук; Ким, Донг-Ук; Ким, Джин Кван; Канг, Лин-Ву; Чо, Хён Су (май 2008 г.). «Кристаллическая структура Pfu, высокоточной ДНК-полимеразы Pyrococcus furiosus». Международный журнал биологических макромолекул . 42 (4): 356–361. DOI : 10.1016 / j.ijbiomac.2008.01.010 . PMID 18355915 . 
  5. ^ Махильсен, Ронни; Леферинк, Николь Г. Н; Хендрикс, Аннемари; Браунс, Стэн Дж. Дж; Хеннеманн, Ханс-Георг; Даубманн, Томас; Ван дер Ост, Джон (2008). «Лабораторная эволюция алкогольдегидрогеназы Pyrococcus furiosus для улучшения производства (2S, 5S) -гександиола при умеренных температурах» . Экстремофилы . 12 (4): 587–94. DOI : 10.1007 / s00792-008-0164-8 . PMC 2467505 . PMID 18452026 .  
  6. ^ Im, Y. J; Джи, М; Ли, А; Killens, R; Grunden, A.M; Босс, В. Ф (2009). «Экспрессия супероксидредуктазы Pyrococcus furiosus в арабидопсисе повышает устойчивость к жаре» . Физиология растений . 151 (2): 893–904. DOI : 10.1104 / pp.109.145409 . PMC 2754621 . PMID 19684226 .  
  7. ↑ Карен Миллер (5 августа 2005 г.). «Прозак для растений» . Национальный центр данных по космическим наукам . НАСА.
  8. ^ а б Ди Джулио, Массимо (2005). «Сравнение белков Pyrococcus furiosus и Pyrococcus abyssi: Barophily в физико-химических свойствах аминокислот и в генетическом коде». Джин . 346 : 1–6. DOI : 10.1016 / j.gene.2004.10.008 . PMID 15716096 . 
  9. ^ a b Фиала, Герхард; Стеттер, Карл О. (1986). « Pyrococcus furiosus sp. Nov. Представляет новый род морских гетеротрофных архебактерий, оптимально растущих при 100 ° C». Архив микробиологии . 145 (1): 56–61. DOI : 10.1007 / BF00413027 .
  10. ^ Робб, Фрэнк Т; Мэдер, Деннис Л; Браун, Джеймс Р.; Дируджеро, Джоселин; Пень, Марка D; Ага, Раймонд К.; Вайс, Роберт Б; Данн, Дайан М (2001). «Геномная последовательность гипертермофила Pyrococcus furiosus: значение для физиологии и энзимологии». Гипертермофильные Ферменты Часть A . Методы в энзимологии. 330 . С. 134–57. DOI : 10.1016 / S0076-6879 (01) 30372-5 . ISBN 978-0-12-182231-6.
  11. ^ Зарамела, Ливия S; Венцио, Рикардо З. Н.; Тен-Катен, Фелипе; Балига, Нитин С; Коидэ, Галстук (2014). «РНК, ассоциированные с сайтом старта транскрипции (TSSaRNA) являются повсеместными во всех сферах жизни» . PLoS ONE . 9 (9): e107680. DOI : 10.1371 / journal.pone.0107680 . PMC 4169567 . PMID 25238539 .  

Дальнейшее чтение [ править ]

  • МакТернан, Патрик М; Чандраян, Санджив К.; У, Чан-Хао; Ваккаро, Брайан Дж; Ланкастер, У. Эндрю; Ян, Цинюань; Фу, Дакс; Hura, Greg L; Тайнер, Джон А; Адамс, Майкл В. В. (2014). «Неповрежденный функциональный комплекс [Ni Fe ] -гидрогеназы, связанный с дыхательной мембраной, состоящий из четырнадцати субъединиц гипертермофильных архей Pyrococcus furiosus» . Журнал биологической химии . 289 (28): 19364–72. DOI : 10.1074 / jbc.M114.567255 . PMC  4094048 . PMID  24860091 .
  • Дун, Цин; Ян, Сюйфань; Чжэн, Миньхуэй; Ян, Зивен (2014). «Характеристика чрезвычайно термостабильной, но адаптивной к холоду β-галактозидазы из гипертермофильной археи Pyrococcus furiosus для использования в качестве рекомбинантной агрегации для периодического разложения лактозы при высокой температуре». Журнал биологии и биоинженерии . 117 (6): 706–10. DOI : 10.1016 / j.jbiosc.2013.12.002 . PMID  24462527 .
  • Эльшавадфи, Ашраф М; Кейт, Брайан Дж; Ee Ooi, H'Ng; Родственник, Томас; Хеслоп, Полина; Коннолли, Бернард А (2014). «Гибриды ДНК-полимеразы, полученные из ферментов семейства B Pyrococcus furiosus и Thermococcus kodakarensis: повышение эффективности полимеразной цепной реакции» . Границы микробиологии . 5 : 224. DOI : 10,3389 / fmicb.2014.00224 . PMC  4034419 . PMID  24904539 .
  • Herzog, B; Вирт, Р. (2012). «Плавательное поведение избранных видов архей» . Прикладная и экологическая микробиология . 78 (6): 1670–4. DOI : 10,1128 / AEM.06723-11 . PMC  3298134 . PMID  22247169 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Типовой штамм Pyrococcus furiosus в Bac Dive - база метаданных по бактериальному разнообразию
  • KEGG Геном: Pyrococcus furiosus