Thermus aquaticus - Thermus aquaticus - Wikipedia

Thermus aquaticus
Thermus aquaticus.JPG
Vědecká klasifikace
Doména:
Bakterie
Kmen:
Deinococcus – Thermus
Třída:
Deinokoky
Objednat:
Thermales
Rodina:
Thermaceae
Rod:
Thermus
Druh:
T. aquaticus
Binomické jméno
Thermus aquaticus
Brock & Freeze, 1969

Thermus aquaticus je druh bakterie které mohou tolerovat vysoké teploty, jednu z několika termofilní bakterie, které patří do Deinococcus – Thermus skupina. Je zdrojem tepelně odolného enzymu Taq DNA polymeráza, jeden z nejdůležitějších enzymů v molekulární biologie z důvodu jeho použití v polymerázová řetězová reakce (PCR) technika amplifikace DNA.

Dějiny

Horké prameny s řasami a bakteriemi v Yellowstonském národním parku

Když v 60. letech začaly studie biologických organismů v horkých pramenech, vědci si mysleli, že život teplomilných bakterií nelze udržet při teplotách nad asi 55 ° C (131 ° F).[1] Brzy však bylo zjištěno, že mnoho bakterií v různých pramenech nejen přežilo, ale také prospívalo při vyšších teplotách. V roce 1969 Thomas D. Brock a Hudson Freeze Indiana University ohlásil nový druh z termofilní bakterie, které pojmenovali Thermus aquaticus.[2] Bakterie byla poprvé izolována z Mushroom Spring v USA Dolní gejzírská pánev z Yellowstonský národní park, který je blízko majora Gejzír s velkou fontánou a Gejzír White Dome,[3] a od té doby byl nalezen v podobných termálních stanovištích po celém světě.

Biologie

T. aquaticus vykazuje nejlepší růst při 65 až 70 ° C (149 ° F až 158 ° F), ale může přežít při teplotách 50 ° C až 80 ° C (122 ° F až 176 ° F). Primárně vychytává protein z jeho prostředí, o čemž svědčí velké množství extracelulárních a intracelulárních proteázy a peptidázy stejně jako transportní proteiny pro aminokyseliny a oligopeptidy přes jeho buněčnou membránu. Tato bakterie je a chemotrof —To vystupuje chemosyntéza získat jídlo. Protože se však jeho teplotní rozsah poněkud překrývá s rozsahem fotosyntetiky sinice které sdílejí své ideální prostředí, je někdy zjištěno, že žije společně se svými sousedy a získává energii pro růst z jejich fotosyntéza. T. aquaticus normálně dýchá aerobně, ale jeden z jeho kmenů, Thermus aquaticus Y51MC23, je možné pěstovat anaerobně.[4]

Genetický materiál T. aquaticus skládá se z jednoho chromozomu a čtyř plazmidy a jeho kompletní sekvenování genomu odhalilo geny CRISPR na mnoha lokusech.[5]

Morfologie

Thermus aquaticus je obecně válcového tvaru s průměrem 0,5 μm až 0,8 μm. Kratší tvar tyče má délku od 5 μm do 10 μm. Delší tvar vlákna má délku, která se velmi liší a v některých případech přesahuje 200 μm. T. aquaticus prokázal více možných morfologií v různých kulturách. Bakterie ve tvaru tyčinky mají tendenci se hromadit. Sdružení několika jedinců mohou vést k tvorbě sférických těles o průměru 10 μm až 20 μm, nazývaných také rotundová tělesa.[2][6] Tato těla nejsou složena z buněčného obalu nebo vnějších membránových složek, jak se dříve myslelo, ale jsou místo toho vyrobena z remodelované buněčné stěny peptidoglykanu. Jejich přesná funkce při přežití T. aquaticus zůstává neznámý, ale předpokládá se, že zahrnuje dočasné skladování potravin a nukleotidů, nebo mohou hrát roli v připoutání a organizaci kolonií.[5]

Enzymy z T. aquaticus

T. aquaticus se proslavil jako zdroj termostabilních enzymů, zejména Taq DNA polymeráza, jak je popsáno níže.

Aldoláza

Studie této extrémní termofilní bakterie, ve které by se dalo pěstovat buněčná kultura byla původně zaměřena na pokusy pochopit jak protein enzymy (které jsou normálně neaktivní při vysoké teplotě) mohou fungovat při vysoké teplotě v termofily. V roce 1970 publikovali Freeze a Brock článek popisující termostabilitu aldoláza enzym z T. aquaticus.[7]

RNA polymeráza

První polymeráza enzym izolovaný z T. aquaticus v roce 1974 byl závislý na DNA RNA polymeráza,[8] použitý v procesu transkripce.

Taq I restrikční enzym

Další informace: TaqI

Pravděpodobně si to uvědomila většina molekulárních biologů T. aquaticus na konci 70. let nebo na začátku 80. let kvůli izolaci užitečných restrikční endonukleázy z tohoto organismu.[9] Použití termínu Taq odkazovat se na Thermus voduaticus vznikly v této době z konvence dávat restrikčním enzymům krátké názvy, jako je Sal a Hin, odvozené od rodu a druhu zdrojových organismů.

DNA polymeráza („Taq pol“)

Další informace: Taq polymeráza

DNA polymeráza byl poprvé izolován z T. aquaticus v roce 1976.[10] První výhodou nalezenou pro tuto termostabilní (teplotní optimum 72 ° C, nedenaturuje se ani při 95 ° C) DNA polymerázy bylo to, že mohla být izolována v čistší formě (bez dalších enzymových kontaminantů), než by mohla být DNA polymeráza z jiných zdrojů . Později, Kary Mullis a další vyšetřovatelé v Cetus Corporation objevil tento enzym, který by mohl být použit v polymerázová řetězová reakce (PCR) proces pro amplifikaci krátkých segmentů DNA,[11] eliminuje potřebu přidávat enzymy polymerázy E. coli po každém cyklu tepelné denaturace DNA. Enzym také byl naklonovaný, seřazeno, upravený (k výrobě kratšího „Stoffelova fragmentu“) a vyrobený ve velkém množství pro komerční prodej.[12] V roce 1989 Věda časopis označil Taq polymerázu za svou první „Molekula roku“.[13] V roce 1993 Dr. Kary Mullis[14] byl oceněn Nobelova cena za jeho práci s PCR.

Jiné enzymy

Vysoká optimální teplota pro T. aquaticus umožňuje vědcům studovat reakce za podmínek, pro které jiné enzymy ztrácejí aktivitu. Mezi další enzymy izolované z tohoto organismu patří DNA ligáza, alkalická fosfatáza, NADH oxidáza, isocitrát dehydrogenáza, amylomaltáza, a fruktóza 1,6-difosfát-dependentní L-laktátdehydrogenáza.

Kontroverze

Komerční použití enzymů z T. aquaticus nebylo bez diskuse. Po studiích Dr. Brocka byly vzorky organismu uloženy v Sbírka americké typové kultury, veřejné úložiště. Odtamtud ji získali další vědci, včetně vědců z Cetu. Jako obchodní potenciál Taq polymeráza se projevila v 90. letech,[15] the Služba národního parku označil jeho použití jako „Skvělé Taq Odpárat".[16] Od vědců pracujících v národních parcích se nyní požaduje, aby podepsali dohody o „sdílení výhod“, které by část pozdějších zisků poslaly zpět do parkovací služby.

Viz také

Reference

  1. ^ Esej Thomase Brocka „Život při vysokých teplotách“
  2. ^ A b Brock TD; Freeze H (1969). "Thermus aquaticus„Nesporulující extrémní termofil“. J. Bacteriol. 98 (1): 289–97. doi:10.1128 / jb.98.1.289-297.1969. PMC  249935. PMID  5781580.
  3. ^ Bryan, T. Scott (2008). Gejzíry Yellowstone, The (4. vydání). University Press of Colorado. ISBN  978-0-87081-924-7.
  4. ^ Pierson, Beverly K .; Bauld, John; Castenholz, Richard W .; D'Amelio, Elisa; Marais, David J. Des; Farmář, Jack D .; Grotzinger, John P .; Jørgensen, Bo Barker; Nelson, Douglas C. (1992-06-26), Schopf, J. William; Klein, Cornelis (eds.), „Modern Microbial Community: a Key to the Interpretation of Proterozoic Stromatolitic Communities“, Proterozoická biosféra (1. vyd.), Cambridge University Press, s. 245–342, doi:10.1017 / cbo9780511601064.008, ISBN  978-0-521-36615-1
  5. ^ A b Brumm, Phillip J .; Monsma, Scott; Keough, Brendan; Jasinovica, Svetlana; Ferguson, Erin; Schoenfeld, Thomas; Lodes, Michael; Mead, David A. (2015). „Complete Genome Sequence of Thermus aquaticus Y51MC23“. PLOS One. 10 (10): e0138674. doi:10.1371 / journal.pone.0138674. ISSN  1932-6203. PMC  4605624. PMID  26465632.
  6. ^ Brock TD; Edwards MR (1970). "Jemná struktura Thermus aquaticus, extrémní termofil “. J. Bacteriol. 104 (1): 509–517. doi:10.1128 / jb.104.1.509-517.1970. PMC  248237. PMID  5473907.
  7. ^ Zmrazit H; Brock TD (1970). "Termostabilní aldoláza z Thermus aquaticus". J. Bacteriol. 101 (2): 541–50. doi:10.1128 / jb.101.2.541-550.1970. PMC  284939. PMID  4984076.
  8. ^ Air GM; Harris JI (1974). „DNA polymeráza závislá na DNA z termofilní bakterie Thermus aquaticus". FEBS Dopisy. 38 (3): 277–281. doi:10.1016/0014-5793(74)80072-4. PMID  4604362.
  9. ^ Sato, S (únor 1978). „Jediné štěpení DNA opičího viru 40 (SV40) místně specifickou endonukleázou z Thermus aquaticus, Taq Já ". J. Biochem. 83 (2): 633–5. doi:10.1093 / oxfordjournals.jbchem.a131952. PMID  204628.
  10. ^ Chien, A; Edgar DB; Trela ​​JM (1. září 1976). "Polymeráza deoxyribonukleové kyseliny z extrémního termofilu Thermus aquaticus". J. Bacteriol. 127 (3): 1550–7. doi:10.1128 / jb.127.3.1550-1557.1976. PMC  232952. PMID  8432.
  11. ^ Saiki, RK; et al. (1988). "Primerem řízená enzymatická amplifikace DNA termostabilní DNA polymerázou". Věda. 239 (4839): 487–91. Bibcode:1988Sci ... 239..487S. doi:10.1126 / science.239.4839.487. PMID  2448875.
  12. ^ Právník FC; et al. (1993). „Exprese na vysoké úrovni, čištění a enzymatická charakterizace DNA polymerázy Thermus aquaticus plné délky“. Appl. Metody PCR. 2 (4): 275–87. doi:10,1101 / gr. 2.4.275. PMID  8324500.
  13. ^ Guyer RL; Koshland DE (prosinec 1989). „Molekula roku“. Věda. 246 (4937): 1543–6. doi:10.1126 / science.2688087. PMID  2688087.
  14. ^ https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1993/mullis-lecture.html
  15. ^ Fore J; Wiechers IR; Cook-Deegan R (2006). „Dopady obchodních praktik, licencí a duševního vlastnictví na vývoj a šíření polymerázové řetězové reakce: případová studie“. J Biomed Discov Collab. 1: 7. doi:10.1186/1747-5333-1-7. PMC  1523369. PMID  16817955. - Podrobná historie společnosti Cetus a obchodní aspekty PCR.
  16. ^ Robbins J (28. listopadu 2006). „Hledání soukromého zisku ve veřejných parcích národa“. The New York Times.

Další čtení

externí odkazy