Unikátní vlastnosti hypertermofilní archy - Unique properties of hyperthermophilic archaea

tento článek potřebuje další citace pro ověření. Prosím pomozte vylepšit tento článek podle přidávání citací ke spolehlivým zdrojům. Zdroj bez zdroje může být napaden a odstraněn. Najít zdroje: „Unikátní vlastnosti hypertermofilní archaea“  – zprávy  · noviny  · knihy  · učenec  · JSTOR (Březen 2014) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

Tento článek pojednává o Unikátní vlastnosti hypertermofilní archy. Hypertermofily jsou organismy, které mohou žít při teplotách v rozmezí 70 až 125 ° C.^[1] Byli předmětem intenzivního studia od svého objevu v roce 1977 v Galapágská trhlina. Bylo považováno za nemožné, aby život existoval až do teploty 100 ° C Pyrolobus fumarii byl objeven v roce 1997. P. fumarii je jednobuněčný organismus z doména Archaea žijící v hydrotermální průduchy v černí kuřáci podél Středoatlantický hřeben. Tyto organismy mohou žít při 106 ° C a pH 5,5. Pro získání energie ze svého prostředí jsou tyto organismy fakultativně aerobní obligátní chemolithoautotrophs, což znamená, že tyto organismy vytvářejí biomolekuly sklizní oxid uhličitý (CO.)₂) z jejich prostředí pomocí vodík (H₂) jako primární dárce elektronů a dusičnan (NE₃⁻) jako primární akceptor elektronů. Tyto organismy mohou dokonce přežít autoklávu, což je stroj určený k zabíjení organismů vysokou teplotou a tlakem. Protože hypertermofilové žijí v tak horkém prostředí, musí mít DNA, membrána, a enzym úpravy, které jim pomáhají odolat intenzivní tepelné energii. Tyto modifikace se v současné době studují, aby se lépe pochopilo, co umožňuje organismu nebo proteinu přežít takové drsné podmínky. Když se vědci dozví, co umožňuje těmto organismům přežít v tak drsných podmínkách, mohou vědci lépe syntetizovat molekuly pro průmysl, které je těžší denaturovat.

Struktury DNA P. fumarii

Dva řetězce DNA drží pohromadě párování bází , který umožňuje nukleotidové báze adenosin (A) vázat tymin (T) a guanin (G) vázat cytosin (C). Bylo navrženo, že by se dalo očekávat, že termofilní archaea bude mít ve své DNA vyšší obsah GC, protože párování GC má tři Vodíkové vazby, zatímco párování AT mají pouze dva. Zvýšení počtu vodíkových vazeb by zvýšilo stabilitu DNA, čímž by se zvýšila energie potřebná k oddělení dvou řetězců DNA. To by pomohlo DNA zůstat dvojvláknovou při tak vysokých teplotách, které by normálně poskytovaly dostatek tepelné energie k oddělení řetězců DNA.

P. fumarii byl poprvé sekvenován v roce 2001 společností Diversa Corporation a sekvence byla zveřejněna v roce 2014. Data z této analýzy ukázala obsah GC 54,90%. To podporuje hypotézu, že termofily zažívají selektivní tlak na zvýšení jejich obsahu GC za účelem stabilizace jejich DNA. Výzkum však tuto hypotézu přesvědčivě nepodporil. Studie provedená Hurstem a Merchantem (2001) neprokázala žádnou korelaci mezi vyšším obsahem GC u prokaryot a zvýšenou optimální rostoucí teplotou. Jejich analýza však ukázala, že u třetího byl vyšší obsah GC nukleová kyselina v rámci kodon. To ukazuje, že v rámci vratká pozice je pravděpodobné, že existuje selektivní tlak na více vodíkových vazeb ke zvýšení stability v DNA, ale menší selektivní tlak na párování GC v DNA jako celku. To podporuje to, co je vidět na P. fumarii. Většina DNA se skládá z G a C nukleotidů, ale DNA stále obsahuje mnoho A a T nukleotidů. Tyto výsledky pravděpodobně naznačují, že spolu se zvyšujícím se párováním GC v kolísavé poloze mají termofilní archaea jiné mechanismy pro stabilizaci své DNA při takových vysokých teplotách.

Jedním z možných mechanismů stabilizace DNA při tak vysokých teplotách jsou proteiny, jako je typ I. topoizomeráza která supertwistuje DNA, což ztěžuje spontánní rozmotání DNA. Přítomnost tohoto proteinu ve více evolučně vzdálených organismech podporuje hypotézu, že tento protein hraje roli při stabilizaci DNA.

Membránové úpravy

Všechny mikroby od nejmenších bakterií po největší mnohobuněčné eukaryot obsahuje membránu s fosfolipidy. Fosfolipidová molekula se skládá z dlouhého mastné kyseliny, často nazývaný ocas molekuly, a fosfát skupina, která slouží jako hlava molekuly. Fosfolipidové membrány se mohou široce pohybovat ve struktuře ocasu mastných kyselin, který se skládá převážně z uhlovodíky. Tyto fosfolipidové molekuly tvoří dvojvrstvy s polárními fosfátovými skupinami obrácenými k vodnému roztoku uvnitř nebo vně buňky s uhlovodíky směřujícími dovnitř a vzájemně interagujícími. Membrána spolu s proteiny řídí, které molekuly jsou povoleny dovnitř nebo ven z buňky. Z tohoto důvodu hraje membrána zásadní roli v přežití buňky. Vadná membrána může do buňky vpustit příliš mnoho rozpuštěných látek, což vede k buněčné smrti.

Různé organismy vymyslely různé strategie pro řízení toho, co jde dovnitř a ven z buňky. Bakterie a eukaryotické buňky obsahují fosfolipidové dvojvrstvy obsahující ester vazby, zatímco archaea obsahují éter vazby. Zatímco tyto mechanismy fungují velmi dobře pro organismy, které žijí mezofilní prostředí nepracují pro extremofily. Mezofily jsou organismy, které žijí při relativně mírných teplotách (20–45 ° C). Jsou to organismy, které žijí kolem hladiny moře a mohou přežít při stejných teplotách jako lidé.

Extremophiles jsou organismy, které rostou nejlépe v extrémně chladném, kyselém, zásaditém nebo horkém prostředí. P. fumarii je hypertermofil, což naznačuje, že tento organismus roste nejlépe při extrémně vysokých teplotách (70–125 ° C). P. fumarii roste nejlépe při 106 ° C. Kvůli extrémně vysokým teplotám, kterým je archaea vystavena, musí mít tento organismus extrémně stabilní biomolekuly, aby přežil. Bez zvýšené stability v membráně by se buňka rozpadla a příliš mnoho molekul by proudilo dovnitř a ven z membrány, ničilo by chemické přechody, které buňka používá jako energii, a nechala by difundovat všechny proteiny, které si buňka syntetizovala, a zastavila tak svůj metabolismus procesy.

Aby se tento problém vyřešil, archaea změnila své membránové lipidové složení. Stále obsahují fosfátové skupiny a dlouhé zbytky mastných kyselin, ale místo esterových obsahují také etherové vazby. Díky etherovým vazbám jsou vazby mezi fosfátovými skupinami a uhlovodíky stabilnější, protože uhlík spojující fosfátovou skupinu a glycerol molekula je bohatší na elektrony, než by byla v esteru, takže tento uhlík je méně elektrofilní a proto méně chemicky reaktivní. To umožňuje, aby byl fosfolipid vázaný na ether stabilnější a méně náchylný k rozpadu z velkého množství zvýšené tepelné energie. To přispívá k schopnosti archaea žít v tak extrémním prostředí.

Další membránovou adaptací pozorovanou v některých archaeách jsou tetraetherfosfolipidy. Tato specifická úprava byla nalezena v P. fumarii spolu s dalšími hypertermofily. Tetraetherfosfolipid je molekula obsahující dva uhlovodíkové zbytky, z nichž každý pochází z jedné esterové vazby a jedné molekuly fosfátu. Tyto fosfolipidy tvoří monovrstvy místo typických dvojvrstev, které se vyskytují u většiny bakterií a všech eukaryot. Proto místo toho dvě různé molekuly interagují navzájem, pouze jedna molekula pokrývá celou šířku membrány. Monovrstva pak umožňuje těsnější zabalení molekul uvnitř membrány, protože do membrány se musí vejít méně molekul, avšak tyto velké molekuly jsou méně schopné se v membráně pohybovat. To pak snižuje tekutost membrány, což umožňuje buňce bránit více molekulám procházet membránou. Toto je mimořádně důležitá adaptace, protože při tak vysokých teplotách se molekuly pohybují rychleji než při mezofilních teplotách. Snížením tekutosti membrány může buňka snížit pohyb fosfolipidových molekul, což zastaví nežádoucí pohyb molekul přes membránu.

Další nesmírně důležitou modifikací regulace membrány, kterou archaea používá k řízení přítoku a odtoku rozpuštěných látek, je přidání cyklopentan kruhy uvnitř uhlovodíkových zbytků fosfolipidů vázaných na ester. Přidání těchto prstenců do membrány umožňuje ještě těsnější zabalení molekul membrány. Tyto cyklopentanové kruhy mohou existovat v tetraether lipidech nebo diether lipidech. Zvyšováním počtu atomů ve středu membrány je méně prostoru pro pohyb rozpuštěných látek dovnitř nebo ven z buňky. To opět pomáhá kontrolovat množství rozpuštěných látek pohybujících se dovnitř a ven z buňky. Cyklopentanové kruhy pomáhají vytlačit vnitřní strukturu membrány, což ztěžuje rozpuštěným látkám dostat se přes membránu na druhou stranu buňky. To je pro buňku tak důležité, protože za hypertermofilních podmínek rozpuštěné látky cestují velmi rychle a přenášejí z prostředí hodně tepelné energie. Pokud by buňka tyto kruhy neměla, pravděpodobně by příliš mnoho nežádoucích molekul prošlo membránou do nebo z buňky. To by mělo za následek zpomalení nebo úplné zastavení metabolických procesů vedoucích k buněčné smrti.

I když jsou tyto cyklopentanové kruhy extrémně užitečné pro zabránění vstupu nežádoucích látek do buňky nebo z buňky, neopouští je všechny archaea. Jsou dokonce vidět v psychrofily, což jsou archaea, které k přežití vyžadují velmi chladné podmínky (-15 ° C nebo nižší). To je neintuitivní, protože molekuly cyklopentanu pomáhají ztuhnout membránu, což se děje přirozeně. Není jasné, proč jsou tyto prstence vidět na obou koncích teplotního spektra, ale je jasné, že slouží jiným funkcím, než jen zpomalení molekul ve vstupu do buňky nebo v opuštění buňky.

Metabolismus

Protože organismy mají rádi P. fumarii žijí v tak drsném prostředí, že tyto archaea potřebovaly vymyslet neobvyklé způsoby, jak sbírat energii z prostředí a chránit se před tepelným stresem. P. fumarii, stejně jako rostliny, jsou schopny sklízet CO₂ z prostředí stavět své biomolekuly, ale na rozdíl od rostlin berou elektrony z H₂ místo H₂O a přeneste tyto elektrony na NO₃⁻, TAK₄²⁻ nebo O.₂. Tento typ metabolického procesu je klasifikován jako chemolithoautrofismus, což znamená, že jejich uhlík pochází z anorganického zdroje, jejich konečným akceptorem elektronů není O₂ a vyrábějí a konzumují své vlastní jídlo.

Dalším způsobem, jak hypertermofily zajišťují správnou funkci svých proteinů, je použití proteinů tepelného šoku (HSP). I když tyto HSP nejsou pro extremofily jedinečné, je nesmírně důležité je studovat, protože HSP nalezené v hypertermofilech jsou nejstabilnější svého druhu. HSP jsou také schopné prodloužit životnost hypertermofilu i nad jeho optimální rostoucí teplotu. Studiem těchto proteinů je možné se naučit mechanismy, které proteiny používají ke stabilizaci jiných proteinů, což může pomoci při biosyntéze nových molekul. HSP fungují jako chaperonové proteiny, které pomáhají enzymatickým proteinům udržovat jejich správnou konformaci déle, než by samy o sobě při takových vysokých teplotách. To je součást toho, co umožňuje P. fumarii existovat při teplotách, o nichž se dlouho věřilo, že jsou příliš horké na to, aby existoval život.

Nejběžnější organismy, které sklízejí CO₂ k výrobě biomolekul jsou rostliny a fotosyntetický bakterie. Tyto konkrétní organismy používají Calvinův cyklus pro jejich uhlíková fixace. Nicméně, P. fumarii a další podobné organismy obsahují určité enzymy, které jim umožňují sklízet CO₂ při teplotách výrazně vyšších, než jsou teploty tolerované rostlinami a fotosyntetizujícími bakteriemi, s mírně odlišnými mechanismy. Alternativní cesty používané těmito extremofily jsou buď rTCA cyklus, 3-HP cyklus, 3-HP / 4-HP cyklus, nebo DC / 4-HP cyklus. Jedná se pravděpodobně o jednu z prvních cest, která se bude vyvíjet, protože bakterie a archea, které je používají, žijí v prostředích, která zrcadlí prostředí rané Země. Je proto pravděpodobné, že se jedná o některé z prvních vývojových cest fixace uhlíku. Cyklus rTCA se obvykle vyskytuje u organismů žijících při teplotách mezi 20 a 90 ° C, zatímco organismy žijící při teplotách nad 90 ° C nejčastěji používají cyklus DC / 4-HP. Cyklus 3-HP / 4-HP je nejčastěji používán termoacidofily v Sulfolobales objednat.

Cykly rTCA, 3-HP a 3-HP / 4-HP jsou pro konkrétní extremofily velmi důležité, ale cyklus DC / 4-HP je ten, který používají P. fumarii. Z tohoto důvodu tento článek podrobněji popisuje cyklus DC / 4-HP a obsahuje další informace o dvou alternativních cyklech fixace uhlíku s přidruženými odkazy.

Cyklus DC / 4-HP je kombinací cyklu rTCA a 4-HP poloviny cyklu 3-HP / 4-HP. Cykly DC / 4-HP a 3-HP / 4-HP začínají acetoacetyl-CoA, což je molekula obsahující dva acetyl-CoA skupiny umožňující tuto cestu běžet dvakrát pouze s jednou výchozí molekulou. Acetyl-CoA se poté převede na pyruvát, pak ŘÍZ. Cyklus DC / 4-HP poté následuje po cyklu rTCA a převádí PEP na oxaloacetát, pak na malát, pak fumarát a pak na sukcinát. Jakmile je sukcinát vytvořen, dráha se řídí stejnými kroky, jaké jsou uvedeny v dráze 3-HP / 4-HP. Konečným výsledkem je regenerace acetoacetyl-CoA, což umožňuje proces začít znovu. Jedinými jedinečnými enzymy této cesty jsou pyruvátsyntáza, pyruvát: voda dikináza a PEP karboxyláza. Protože tolik kroků v dráze DC / 4-HP je vidět v jiných drahách, existovalo pouze několik jedinečných enzymů v cestě DC / 4-HP, což ztěžuje dlouhodobé stanovení existence této dráhy. . Tato cesta byla objevena až v roce P. fumarii Před několika lety. Cyklus DC / 4-HP používá stejné enzymy k přeměně oxaloacetátu na sukcinyl-CoA a všechny stejné enzymy jako dráha 3-HP / 4-HP, jakmile se vytvoří sukcinát.

Jedna molekula, která byla identifikována jako příbuzná s hypertermofilními organismy, je di-myo-inositolfosfát (DIP). Inositol a další fosfátové deriváty této molekuly jsou cukry často používané jako sekundární posel v eukaryotických buňkách. DIP však byl dosud nalezen pouze v termofilních buňkách a jejich použití v buňkách je do značné míry neznámé. Derivát tohoto cukru s názvem UDP-α-GlcNAc3NAc- (4 ← 1) -β-GlcpNAc3NAc byl nalezen pouze v P. fumarii. Funkce tohoto cukru není známa, ale fosforylované formy tohoto cukru byly nalezeny ve spojení s UDP-α-Glc-NAc3NAc, což je cukr, o kterém je známo, že se podílí na tvorbě Vrah. Tyto UDP cukry se nacházejí pouze tehdy, když jsou buňky v optimálních podmínkách růstu. To naznačuje, že tyto cukry jsou stavebními kameny v buňce, které umožňují vytvoření ochrany S-vrstvy Grampozitivní bakterie. Toto spojení s S-vrstvou je nesmírně důležité, protože se předpokládá, že se S-vrstva používá k ochraně buňky před tepelným stresem spojeným s hypertermofilním prostředím. Předpokládá se také, že S-vrstva pomáhá zpomalit molekuly při opuštění nebo vstupu do buňky. I když tyto výsledky nejsou přesvědčivé, pomáhají objasnit, jak je vytvořena S-vrstva, která zůstává po celá léta záhadou.

Reference