Pyrococcus furiosus - Pyrococcus furiosus

Pyrococcus furiosus
Pyrococcus furiosus.png
Pyrococcus furiosus
Vědecká klasifikace
Doména:
Archaea
Království:
Euryarchaeota
Kmen:
Euryarchaeota
Třída:
Termokoky
Objednat:
Termokoky
Rodina:
Thermococcaceae
Rod:
Pyrococcus
Druh:
P. furiosus
Binomické jméno
Pyrococcus furiosus
Erauso et al. 1993

Pyrococcus furiosus je extremofilní druhy Archaea. Lze jej klasifikovat jako a hypertermofil protože se mu daří nejlépe při extrémně vysokých teplotách - vyšších, než jsou ty, které dávají přednost a termofilní. Je pozoruhodné, že má optimální růstovou teplotu 100 ° C (teplotu, která by zničila většinu živých organismů) a že je jedním z mála organismů, u nichž je zjištěno, že vlastní aldehyd ferredoxin oxidoreduktáza enzymy obsahující wolfram, prvek zřídka nalezený v biologických molekulách.

Vlastnosti

Tento druh byl odebrán z termálních mořských sedimentů a studován pěstováním v kultuře v laboratoři. Pyrococcus furiosus je známý svou rychlou dobou zdvojnásobení 37 minut za optimálních podmínek, což znamená, že každých 37 minut se počet jednotlivých organismů vynásobí 2, čímž se získá exponenciální růstová křivka. Vypadá to, že jsou to většinou pravidelné koky - to znamená, že jsou zhruba kulaté - o průměru 0,8 µm až 1,5 µm s monopolárním polytrichózním bičováním. Každý organismus je obklopen buněčným obalem složeným z glykoproteinu, který se nazývá an Vrah.

Roste mezi 70° C (158 ° F ) a 103 ° C (217 ° F), s optimální teplotou 100 ° C (212 ° F), a mezi pH 5 a 9 (s optimem při pH 7). Dobře roste na kvasnicovém extraktu, sladový cukr, celobióza, β-glukany, škrob a zdroje bílkovin (trypton, pepton, kasein a masové výtažky). Jedná se o relativně široký rozsah ve srovnání s jinými archaea. Růst je velmi pomalý nebo vůbec neexistuje u aminokyselin, organických kyselin, alkoholů a většiny sacharidů (včetně glukóza, fruktóza, laktóza, a galaktóza ). Metabolické produkty P. furiosus jsou CO2 a H2. Přítomnost vodíku silně inhibuje jeho růst a metabolismus; tento účinek lze obejít zavedením síra do prostředí organismu. V tomto případě, H2S může být produkován prostřednictvím svých metabolických procesů, i když se zdá, že z této řady reakcí není odvozena žádná energie. Je zajímavé poznamenat, že zatímco mnoho dalších hypertermofilů závisí na síře pro růst, P. furiosus ne.

P. furiosus je také pozoruhodný neobvyklým a zajímavým jednoduchým dýchacím systémem, který získává energii redukcí protonů na plynný vodík a využívá tuto energii k vytvoření elektrochemického gradientu přes jeho buněčnou membránu, čímž řídí ATP syntéza. Takový systém by dnes mohl být velmi časným evolučním předchůdcem dýchacích systémů u všech vyšších organismů.[1]

Použití

The enzymy z Pyrococcus furiosus jsou extrémně termostabilní. V důsledku toho DNA polymeráza z P. furiosus (také známý jako Pfu DNA polymeráza ) lze použít v polymerázová řetězová reakce (PCR) proces amplifikace DNA.

Při amplifikaci DNA

A DNA polymeráza byl objeven v P. furiosus o kterém se předpokládalo, že nesouvisí s jinými známými DNA polymerázami, protože nebyla nalezena významná sekvenční homologie mezi jeho dvěma proteiny a proteiny jiných známých DNA polymeráz. Tato DNA polymeráza má silnou 3'-5 'exonukleolytickou aktivitu a preferenci templátového primeru, která je charakteristická pro replikativní DNA polymerázu, což vede vědce k přesvědčení, že tento enzym může být replikativní DNA polymerázou P. furiosus.[2] Od té doby byl zařazen do rodiny B polymeráz, stejné rodiny jako DNA polymeráza II. Rovněž byla vyřešena jeho struktura, která se pro polymerázu B jeví jako zcela typická.[3][4]

Při výrobě diolů

Jedna praktická aplikace P. furiosus se vyrábí dioly pro různé průmyslové procesy. Je možné použít enzymy z P. furiosus pro aplikace v takových průmyslových odvětvích, jako jsou potraviny, farmaceutika a jemné chemikálie alkoholové dehydrogenázy jsou nezbytné při výrobě enantio- a diastereomerně čistých diolů. Enzymy z hypertermofilů, jako jsou P. furiosus mohou dobře fungovat v laboratorních procesech, protože jsou relativně odolné: obecně fungují dobře při vysokých teplotách a vysokých tlacích, stejně jako při vysokých koncentracích chemikálií.

Aby byly přirozeně odvozené enzymy užitečné v laboratoři, je často nutné změnit jejich genetické složení. V opačném případě nemusí být přirozeně se vyskytující enzymy účinné při uměle indukovaném postupu. Ačkoli enzymy z P. furiosus fungovat optimálně při vysoké teplotě, nemusí vědci nutně chtít provést proceduru při 100 ° C (212 ° F). V důsledku toho byl v tomto případě odebrán specifický enzym AdhA P. furiosus a podrobit různé mutace v laboratoři za účelem získání vhodné alkohol dehydrogenázy pro použití v umělých procesech. To vědcům umožnilo získat mutantní enzym, který by mohl účinně fungovat při nižších teplotách a udržovat produktivitu.[5]

V rostlinách

Exprese určitého genu nalezená v P. furiosus v rostlinách může také zvýšit jejich snášenlivost vůči teplu. V reakci na stres prostředí, jako je vystavení teplu, rostliny produkují reaktivní formy kyslíku což může vést k buněčné smrti. Pokud jsou tyto volné radikály odstraněny, může dojít ke zpoždění buněčné smrti. Enzymy v rostlinách zvané superoxid dismutázy odstranit superoxidové aniontové radikály z buněk, ale zvýšení množství a aktivity těchto enzymů je obtížné a není to nejúčinnější způsob, jak zlepšit životnost rostlin.[6]

Zavedením superoxid reduktázy z P. furiosus do rostlin, hladiny O2 lze rychle snížit.[Citace je zapotřebí ] Vědci testovali tuto metodu pomocí Arabidopsis thaliana rostlina. V důsledku tohoto postupu dochází k buněčné smrti rostlin méně často, což vede ke snížení závažnosti odpovědí na stres prostředí. To zvyšuje přežití rostlin a zvyšuje jejich odolnost vůči světelnému, chemickému a tepelnému stresu.

Tato studie by mohla být potenciálně použita jako výchozí bod pro vytváření rostlin, které by mohly přežít v extrémnějším podnebí na jiných planetách, jako je Mars. Zaváděním více enzymů z extremofilů jako P. furiosus do jiných druhů rostlin je možné vytvořit neuvěřitelně odolné druhy.[7]

Při výzkumu aminokyselin

Porovnáním P. furiosus s příbuzným druhem archea, Pyrococcus abyssi se vědci pokusili určit korelaci mezi určitými aminokyselinami a afinitou k určitým tlakům u různých druhů. P. furiosus není barofilní, zatímco P. abyssi znamená, že funguje optimálně při velmi vysokých tlacích. Použití dvou hypertermofilních druhů archea snižuje možnost odchylek souvisejících s teplotou prostředí, což v podstatě snižuje proměnné v experimentálním designu.[8]

Kromě získání informací o barofilitě určitých aminokyselin experiment poskytl také cenný vhled do původu genetického kódu a jeho organizačních vlivů. Bylo zjištěno, že většina aminokyselin, které určovaly barofilitu, byla také shledána důležitou v organizaci genetického kódu. Bylo také zjištěno, že více polárních aminokyselin a menších aminokyselin bylo pravděpodobnější, že budou barofilní. Porovnáním těchto dvou archaeí bylo dosaženo závěru, že genetický kód byl pravděpodobně strukturován pod vysokým hydrostatickým tlakem a že hydrostatický tlak byl vlivnějším faktorem při určování genetického kódu než teplota.[8]

Objev

Pyrococcus furiosus byl původně izolovaný anaerobně z geotermálně vyhřívaných mořských sedimentů s teplotami mezi 90 ° C (194 ° F) a 100 ° C (212 ° F) shromážděných na pláži Porto Levante, Ostrov Vulcano, Itálie. Poprvé to popsal Karl Stetter z University of Regensburg v Německu a jeho kolega Gerhard Fiala. Pyrococcus furiosus ve skutečnosti vytvořil nový rod archea s jeho relativně nedávným objevem v roce 1986.[9]

Genom

Pořadí celého genom z Pyrococcus furiosus byla dokončena v roce 2001 vědci na Biotechnologický institut University of Maryland. Marylandský tým zjistil, že genom má 1 908 kilobází, což kóduje asi 2 065 proteinů.[10]

Odborný název

Název Pyrococcus znamená "ohnivá koule" v řecký, odkazovat na kulatý tvar a schopnost růst extremofilu při teplotách kolem 100 stupňů Celsia. Název druhu furiosus znamená „spěchat“ dovnitř latinský, a odkazuje na čas zdvojnásobení extremofilu a rychlé plavání.[9][11]

Reference

  1. ^ Sapra, R; Bagramyan, K; Adams, M. W. W (2003). „Jednoduchý systém šetřící energii: Redukce protonů spojená s translokací protonů“. Sborník Národní akademie věd. 100 (13): 7545–50. Bibcode:2003PNAS..100.7545S. doi:10.1073 / pnas.1331436100. PMC  164623. PMID  12792025.
  2. ^ Uemori, Takashi; Sato, Yoshimi; Kato, Ikunoshin; Doi, Hirofumi; Ishino, Yoshizumi (1997). „Nová DNA polymeráza v hypertermofilním archeonu, Pyrococcus furiosus: Genové klonování, exprese a charakterizace“. Geny do buněk. 2 (8): 499–512. doi:10.1046 / j.1365-2443.1997.1380336.x. PMID  9348040.
  3. ^ Ishino, S; Ishino, Y (2014). „DNA polymerázy jako užitečná činidla pro biotechnologie - historie vývojového výzkumu v oboru“. Hranice v mikrobiologii. 5: 465. doi:10.3389 / fmicb.2014.00465. PMC  4148896. PMID  25221550.
  4. ^ Kim, Suhng Wook; Kim, Dong-Uk; Kim, Jin Kwang; Kang, Lin-Woo; Cho, Hyun-Soo (květen 2008). „Krystalová struktura Pfu, vysoce věrné DNA polymerázy z Pyrococcus furiosus“. International Journal of Biological Makromolecules. 42 (4): 356–361. doi:10.1016 / j.ijbiomac.2008.01.010. PMID  18355915.
  5. ^ Machielsen, Ronnie; Leferink, Nicole G. H; Hendriks, Annemarie; Brouns, Stan J. J; Hennemann, Hans-Georg; Daupmann, Thomas; Van Der Oost, John (2008). „Laboratorní vývoj alkoholu dehydrogenázy z Pyrococcus furiosus za účelem zlepšení produkce (2S, 5S) -hexandiolu při mírných teplotách“. Extremophiles. 12 (4): 587–94. doi:10.1007 / s00792-008-0164-8. PMC  2467505. PMID  18452026.
  6. ^ Im, Y. J; Ji, M; Lee, A; Killens, R; Grunden, A. M; Boss, W. F (2009). "Exprese superoxidreduktázy Pyrococcus furiosus v Arabidopsis zvyšuje toleranci tepla". Fyziologie rostlin. 151 (2): 893–904. doi:10.1104 / pp.109.145409. PMC  2754621. PMID  19684226.
  7. ^ Karen Miller (5. srpna 2005). „Prozac pro rostliny“. Národní vesmírné datové centrum. NASA.
  8. ^ A b Di Giulio, Massimo (2005). „Srovnání proteinů z Pyrococcus furiosus a Pyrococcus abyssi: Barofilie ve fyzikálně-chemických vlastnostech aminokyselin a v genetickém kódu“. Gen. 346: 1–6. doi:10.1016 / j.gene.2004.10.008. PMID  15716096.
  9. ^ A b Fiala, Gerhard; Stetter, Karl O (1986). "Pyrococcus furiosus sp. listopad. Představuje nový rod mořských heterotrofních archebakterií rostoucích optimálně při 100 ° C “. Archiv mikrobiologie. 145 (1): 56–61. doi:10.1007 / BF00413027.
  10. ^ Robb, Frank T; Maeder, Dennis L; Brown, James R; Diruggiero, Jocelyne; Pařez, Mark D; Yeh, Raymond K; Weiss, Robert B; Dunn, Dianne M (2001). "Genomická sekvence hypertermofilu, Pyrococcus furiosus: Důsledky pro fyziologii a enzymologii". Hyperthermophilic Enzymes Part A. Metody v enzymologii. 330. str. 134–57. doi:10.1016 / S0076-6879 (01) 30372-5. ISBN  978-0-12-182231-6.
  11. ^ Zaramela, Livia S; Vêncio, Ricardo Z. N; Ten-Caten, Felipe; Baliga, Nitin S; Koide, Tie (2014). „Transkripce start-site associated RNA (TSSaRNAs) are Ubiquitous in all Domains of life“. PLOS ONE. 9 (9): e107680. doi:10.1371 / journal.pone.0107680. PMC  4169567. PMID  25238539.

Další čtení

externí odkazy