Sulfolobus — род микроорганизмовсемейства Sulfolobaceae . Он принадлежит к домену архей . [2]
Виды Sulfolobus растут в вулканических источниках , причем оптимальный рост происходит при pH 2–3 и температуре 75–80 ° C, что делает их ацидофилами и термофилами соответственно. Клетки сульфобуса имеют неправильную форму, жгутиковые .
Виды Sulfolobus обычно называют по месту, где они были впервые изолированы, например, Sulfolobus solfataricus был впервые выделен в вулкане Сольфатара . Другие виды можно найти по всему миру в районах вулканической или геотермальной активности, например, в геологических образованиях, называемых грязевыми котлами , которые также известны как сольфатаре (множественное число от сольфатара).
Когда в 1996 году был полностью секвенирован первый геном архей, Methanococcus jannaschii , было обнаружено, что гены в геноме Methanococcus jannaschii , участвующие в репликации, транскрипции и трансляции ДНК, были больше связаны со своими аналогами у эукариот, чем с генами других видов архей. прокариоты. В 2001 году была опубликована первая последовательность генома Sulfolobus , Sulfolobus solfataricus P2. В геноме P2 гены, связанные с репликацией хромосом, также оказались более родственными генам эукариот. Эти гены включают ДНК-полимеразу, примазу (включая две субъединицы), MCM, CDC6/ORC1, RPA, RPC и PCNA . В 2004 году были идентифицированы источники репликации ДНК Sulfolobus solfataricus и Sulfolobus acidocaldarius . Это показало, что оба вида содержат два источника происхождения в своем геноме. Это был первый случай, когда в прокариотической клетке использовалось более одного источника репликации ДНК. Механизм репликации ДНК у архей эволюционно консервативен и аналогичен механизму репликации эукариот. Сульфолобус теперь используется в качестве модели для изучения молекулярных механизмов репликации ДНК у архей. А поскольку система репликации ДНК у архей намного проще, чем у эукариот, было предложено использовать архей в качестве модели для изучения гораздо более сложной репликации ДНК у эукариот.
Белки сульфобусы представляют интерес для биотехнологии и промышленного использования благодаря своей термостабильной природе. Одним из применений является создание искусственных производных белков S. acidocaldarius , называемых аффининами . Однако внутриклеточные белки не обязательно стабильны при низком pH, поскольку виды Sulfolobus поддерживают значительный градиент pH на внешней мембране. Sulfolobales метаболически зависят от серы: гетеротрофны или автотрофны , их энергия поступает от окисления серы и/или клеточного дыхания , при котором сера выступает конечным акцептором электронов. Например, известно, что S. tokodaii окисляет сероводород до сульфата внутриклеточно.
Принятая в настоящее время таксономия основана на Списке названий прокариот, имеющих номенклатуру (LPSN) [3] и Национальном центре биотехнологической информации (NCBI) [4].
Полные геномы были секвенированы для S. acidocaldarius DSM 639 (2 225 959 нуклеотидов ), [11] S. solfataricus P2 (2 992 245 нуклеотидов), [12] и S. tokodaii str. 7 (2694756 нуклеотидов). [13]
Архей Sulfolobus solfataricus имеет кольцевую хромосому, состоящую из 2 992 245 пар оснований. Другой секвенированный вид, S. tokodaii, также имеет кольцевую хромосому, но ее размер немного меньше - 2 694 756 пар оснований. У обоих видов отсутствуют гены ftsZ и minD, характерные для секвенированных Crenarchaeota. Они также кодируют цитратсинтазу и две субъединицы 2-оксокислота:ферредоксиноксидоредуктазы, которая играет ту же роль, что и альфа-кетоглутаратдегидрогеназа в цикле ТСА (трикарбоновая кислота/Кребс/лимонная кислота). Это указывает на то, что Sulfolobus имеет систему цикла TCA, аналогичную той, которая обнаружена в митохондриях эукариот. Другие гены дыхательной цепи, участвующие в производстве АТФ, не были похожи на те, что обнаружены у эукариот. Цитохром с — один из таких примеров, который играет важную роль в переносе электронов на кислород у эукариот. Это также было обнаружено у A. pernix K1. Поскольку этот этап важен для аэробных микроорганизмов, таких как Sulfolobus , он, вероятно, использует другую молекулу для той же функции или имеет другой путь.
Сульфолобус может расти либо литоавтотрофно, окисляя серу, либо хемогетеротрофно, используя серу для окисления простых восстановленных соединений углерода. Однако гетеротрофный рост наблюдался только в присутствии кислорода. Основными метаболическими путями являются гликолитический путь, пентозофосфатный путь и цикл ТЦА.
Все археи содержат липиды с эфирными связями между головной группой и боковыми цепями, что делает липиды более устойчивыми к нагреванию и кислотности, чем бактериальные и эукариотические липиды, связанные сложноэфирными связями. Sulfolobales известны необычными тетраэфирными липидами. У Sulfolobales липиды, связанные с эфирной связью, ковалентно соединяются поперек «бислоя», образуя тетраэфиры. Таким образом, технически тетраэфиры образуют монослой, а не бислой. Тетраэфиры помогают видам Sulfolobus пережить как экстремальную кислоту, так и высокую температуру.
S. solfataricus был обнаружен в различных областях, включая Йеллоустонский национальный парк , гору Сент-Хеленс , Исландию , Италию и Россию , и это лишь некоторые из них. Сульфолобус расположен практически везде, где есть вулканическая активность . Они процветают в средах с температурой около 80 °C, pH около 3 и присутствием серы. Другой вид, S. tokodaii , был обнаружен в кислом курорте в горячих источниках Беппу , Кюсю , Япония . В отложениях на глубине примерно 90 м ниже морского дна на перуанской континентальной окраине преобладают интактные архейные тетраэфиры, а значительная часть сообщества представляет собой осадочные археи, таксономически связанные с кренархейными Sulfolobales (Sturt, et al. , 2004).
Воздействие на Sulfolobus solfataricus или Sulfolobus acidocaldarius агентов, повреждающих ДНК, УФ-облучение, блеомицин или митомицин С вызывало агрегацию клеток. [14] [15] Другие физические стрессоры, такие как изменение pH или температуры, не вызывали агрегацию, что позволяет предположить, что индукция агрегации вызвана именно повреждением ДНК. [15] Аджон и др. [14] показали, что УФ-индуцированная клеточная агрегация с высокой частотой опосредует обмен хромосомных маркеров у S. acidocaldarius . Скорость рекомбинации превышала таковую в неиндуцированных культурах почти на три порядка. Вуд и др. [16] также показали, что УФ-облучение увеличивает частоту рекомбинации за счет генетического обмена у S. acidocaldarius . Фролс и др. [15] [17] и Аджон и др. [14] предположили, что процесс переноса ДНК, индуцируемый УФ-излучением, и последующая гомологичная рекомбинационная репарация представляют собой важный механизм поддержания целостности хромосом у S. acidocaldarius и S. solfataricus . Этот ответ может быть примитивной формой полового взаимодействия, похожей на более хорошо изученную бактериальную трансформацию, которая также связана с переносом ДНК между клетками, приводящим к гомологичной рекомбинационной репарации повреждений ДНК. [18] [19]
Оперон ups видов Sulfolobus сильно индуцируется УФ - облучением . Пили , кодируемые этим опероном, участвуют в стимулировании агрегации клеток, которая необходима для последующего обмена ДНК между клетками, что приводит к гомологичной рекомбинации . Исследование оперона Sulfolobales acidocaldarius ups показало, что один из генов оперона, saci-1497 , кодирует эндонуклеазу III, которая разрушает поврежденную УФ-излучением ДНК; а другой ген оперона, saci-1500 , кодирует RecQ-подобную геликазу , которая способна раскручивать гомологичные промежуточные продукты рекомбинации, такие как соединения Холлидея . [20] Было высказано предположение, что Saci-1497 и Saci-1500 функционируют в механизме репарации ДНК, основанном на гомологичной рекомбинации, который использует перенесенную ДНК в качестве матрицы. [20] Таким образом, считается, что система ups в сочетании с гомологичной рекомбинацией обеспечивает ответ на повреждение ДНК, который спасает Sulfolobales от угроз повреждения ДНК. [20]
Лизогенные вирусы заражают Sulfolobus для защиты. Вирусы не могут выжить в чрезвычайно кислых и жарких условиях, в которых живет Сульфолобус , поэтому вирусы используют Сульфолобус в качестве защиты от суровых элементов. Эти отношения позволяют вирусу размножаться внутри архей, не разрушаясь окружающей средой. Вирусы Sulfolobus являются умеренными или постоянными лизогенами. Постоянные лизогены отличаются от лизогенных бактериофагов тем, что клетки-хозяева не лизируются после индукции продукции Fuselloviridae и в конечном итоге возвращаются в лизогенное состояние. Они также уникальны в том смысле, что гены, кодирующие структурные белки вируса, постоянно транскрибируются и, по-видимому, индуцируются репликация ДНК. Вирусам, заражающим архей, таких как Sulfolobus, приходится использовать стратегию, позволяющую избежать длительного прямого воздействия среды, в которой живет их хозяин, что может объяснить некоторые из их уникальных свойств.