В данной статье рассматриваются уникальные свойства гипертермофильных архей . Гипертермофилы — это организмы, которые могут жить при температуре от 70 до 125 °C. [1] Они были предметом интенсивных исследований с момента их открытия в 1977 году в Галапагосском разломе . Считалось невозможным существование жизни при температуре до 100 ° C, пока в 1997 году не был открыт Pyrolobus fumarii. P. fumarii — одноклеточный организм из домена Archaea , обитающий в гидротермальных жерлах черных курильщиков вдоль Срединно-Атлантического хребта . Эти организмы могут жить при температуре 106 °C и pH 5,5. Чтобы получать энергию из окружающей среды, эти организмы являются факультативно аэробными облигатными хемолитоавтотрофами, то есть эти организмы строят биомолекулы, собирая углекислый газ (CO 2 ) из окружающей среды, используя водород (H 2 ) в качестве первичного донора электронов и нитрат (NO 3 - ) в качестве первичный акцептор электронов . Эти организмы могут даже выжить в автоклаве , который представляет собой машину, предназначенную для уничтожения организмов с помощью высокой температуры и давления. Поскольку гипертермофилы живут в таких жарких условиях, у них должны быть модификации ДНК , мембраны и ферментов , которые помогают им противостоять интенсивной тепловой энергии. Такие модификации в настоящее время изучаются, чтобы лучше понять, что позволяет организму или белку выживать в таких суровых условиях. Узнав, что позволяет этим организмам выживать в таких суровых условиях, исследователи смогут лучше синтезировать молекулы для промышленности, которые труднее денатурировать.
Две цепи ДНК удерживаются вместе за счет спаривания оснований , что позволяет нуклеотидным основаниям аденозину (А) связываться с тимином (Т), а гуанину (G) связываться с цитозином (С). Было высказано предположение, что термофильные археи должны иметь более высокое содержание GC в своей ДНК, поскольку пары GC имеют три водородные связи , а пары AT - только две. Увеличение количества водородных связей повысит стабильность ДНК, тем самым увеличивая энергию, необходимую для разделения двух нитей ДНК. Это помогло бы ДНК оставаться двухцепочечной при таких высоких температурах, которые обычно обеспечивают достаточно тепловой энергии для разделения нитей ДНК.
P. fumarii был впервые секвенирован в 2001 году корпорацией Diversa Corporation, а последовательность была обнародована в 2014 году. Данные этого анализа показали, что содержание GC составляет 54,90%. Это подтверждает гипотезу о том, что термофилы испытывают избирательное давление, требующее увеличения содержания GC для стабилизации своей ДНК. Однако исследования не подтвердили эту гипотезу окончательно. Исследование, проведенное Херстом и Мерчантом (2001), не выявило корреляции между более высоким содержанием GC в прокариотах и повышенными оптимальными температурами выращивания. Однако их анализ показал, что содержание GC в третьей нуклеиновой кислоте внутри кодона было выше . Это демонстрирует, что в положении колебания, вероятно, существует селективное давление для большего количества водородных связей для повышения стабильности внутри ДНК, но меньшее селективное давление для пар GC внутри ДНК в целом. Это подтверждает то, что наблюдается у P. fumarii . Большая часть ДНК состоит из нуклеотидов G и C, но ДНК все еще содержит много нуклеотидов A и T. Эти результаты, вероятно, указывают на то, что наряду с увеличением спаривания GC в положении качания у термофильных архей есть другие механизмы стабилизации их ДНК при таких высоких температурах.
Одним из возможных механизмов стабилизации ДНК при таких высоких температурах являются такие белки, как топоизомераза типа I , которая сверхскручивает ДНК, затрудняя самопроизвольное раскручивание ДНК. Присутствие этого белка у многих эволюционно далеких организмов подтверждает гипотезу о том, что этот белок играет роль в стабилизации ДНК.
Гипертермофильные археи обладают особыми стратегиями борьбы с повреждениями ДНК, включая существенную потребность в ключевых белках, которые используются в процессе гомологичной рекомбинационной репарации ДНК. [2] Кроме того, между архейными гипертермофилами происходит обмен ДНК, и этот обмен, вероятно, играет роль в восстановлении геномной ДНК посредством гомологичной рекомбинации, процесса, который может иметь решающее значение в условиях, повреждающих ДНК, таких как высокая температура. [3]
Все микробы, от мельчайших бактерий до крупнейших многоклеточных эукариотов, содержат мембрану с фосфолипидами . Молекула фосфолипида состоит из длинной жирной кислоты , часто называемой хвостом молекулы, и фосфатной группы, которая служит головой молекулы. Фосфолипидные мембраны могут широко варьироваться по структуре жирнокислотного хвоста, который состоит в основном из углеводородов . Эти молекулы фосфолипидов образуют бислои, в которых полярные фосфатные группы обращены к водному раствору внутри или снаружи клетки, а углеводороды обращены внутрь и взаимодействуют друг с другом. Мембрана вместе с белками контролирует, какие молекулы попадают в клетку или выходят из нее. По этой причине мембрана играет решающую роль в выживании клетки. Неисправная мембрана может пропустить в клетку слишком много растворенных веществ, что приведет к ее гибели.
Разные организмы разработали разные стратегии контроля того, что входит и выходит из клетки. Бактерии и эукариотические клетки содержат фосфолипидные бислои, содержащие эфирные связи, тогда как археи содержат эфирные связи. Хотя эти механизмы очень хорошо работают для организмов, живущих в мезофильной среде, они не работают для экстремофилов. Мезофилы – это организмы, живущие при относительно умеренных температурах (20–45 °C). Это организмы, которые живут на уровне моря и могут выживать при тех же температурах, что и люди.
Экстремофилы — это организмы, которые лучше всего растут в чрезвычайно холодной, кислой, щелочной или горячей среде. P. fumarii является гипертермофилом, что указывает на то, что этот организм лучше всего растет при чрезвычайно высоких температурах (70–125 ° C). P. fumarii лучше всего растет при температуре 106 °C. Из-за чрезвычайно высоких температур, которым подвергаются археи, для выживания этому организму необходимы чрезвычайно стабильные биомолекулы. Без повышения стабильности мембраны клетка развалится, и слишком много молекул будет входить в мембрану и выходить из нее, разрушая химические градиенты, которые клетка использует в качестве энергии, и позволяя всем белкам, синтезированным клеткой, диффундировать, останавливая ее метаболизм. процессы.
Чтобы справиться с этой проблемой, археи изменили состав липидов своих мембран. Они по-прежнему содержат фосфатные группы и длинные хвосты жирных кислот, но также содержат эфирные связи вместо сложноэфирных. Эфирные связи делают связи между фосфатными группами и углеводородами более стабильными, поскольку углерод, соединяющий фосфатную группу и молекулу глицерина , более богат электронами, чем в сложном эфире, что делает этот углерод менее электрофильным и, следовательно, менее химически активным. Это позволяет эфирно-связанному фосфолипиду быть более стабильным и менее подверженным распаду из-за большого количества увеличенной тепловой энергии. Это способствует способности архей жить в таких экстремальных условиях.
Другая мембранная адаптация, наблюдаемая у некоторых архей, - это тетраэфирные фосфолипиды. Эта специфическая адаптация была обнаружена у P. fumarii наряду с другими гипертермофилами. Тетраэфирный фосфолипид представляет собой молекулу, содержащую два углеводородных хвоста, каждый из которых состоит из одной сложноэфирной связи и одной фосфатной молекулы. Эти фосфолипиды образуют монослои вместо типичных бислоев, наблюдаемых у большинства бактерий и всех эукариот. Таким образом, вместо двух разных молекул, взаимодействующих друг с другом, только одна молекула охватывает всю ширину мембраны. Монослой затем обеспечивает более плотную упаковку молекул внутри мембраны, поскольку меньше молекул должно поместиться в мембрану, однако эти большие молекулы менее способны перемещаться внутри мембраны. Затем это снижает текучесть мембраны, позволяя клетке удерживать больше молекул от пересечения мембраны. Это чрезвычайно важная адаптация, поскольку при таких высоких температурах молекулы движутся быстрее, чем при мезофильных температурах. Уменьшая текучесть мембраны, клетка может уменьшить движение молекул фосфолипидов, что останавливает нежелательное движение молекул через мембрану.
Другой чрезвычайно важной модификацией мембранной регуляции, которую археи используют для контроля притока и оттока растворенных веществ, является добавление циклопентановых колец в углеводородные хвосты фосфолипидов, связанных с эфирными связями. Добавление этих колец в мембрану обеспечивает еще более плотную упаковку молекул мембраны. Эти циклопентановые кольца могут существовать в тетраэфирных липидах или диэфирных липидах. За счет увеличения количества атомов в середине мембраны растворенным веществам остается меньше места для перемещения в клетку или из нее. Это снова помогает контролировать количество растворенных веществ, поступающих в клетку и выходящих из нее. Циклопентановые кольца заполняют внутреннюю структуру мембраны, затрудняя проникновение растворенных веществ через мембрану на другую сторону клетки. Это так важно для клетки, потому что в гипертермофильных условиях растворенные вещества движутся очень быстро, перенося много тепловой энергии из окружающей среды. Если бы в клетке не было этих колец, слишком много нежелательных молекул, вероятно, прошло бы через мембрану либо в клетку, либо из нее. Это приведет к замедлению или полной остановке метаболических процессов, что приведет к гибели клеток.
Хотя эти циклопентановые кольца чрезвычайно полезны для предотвращения попадания нежелательных растворов в клетку или выхода из нее, не все археи используют их. Они наблюдаются даже у психрофилов , архей, которым для выживания необходимы очень холодные условия (-15 °C или ниже). Это противоречит здравому смыслу, поскольку молекулы циклопентана помогают сделать мембрану более жесткой, что происходит естественным образом. Неясно, почему эти кольца видны на обоих концах температурного спектра, но ясно, что они выполняют иные функции, а не просто замедляют вход молекул в клетку или выход из нее.
Поскольку такие организмы, как P. fumarii, живут в таких суровых условиях, этим археям пришлось разработать необычные способы сбора энергии из окружающей среды и защиты от теплового стресса. P. fumarii , как и растения, способны собирать CO 2 из окружающей среды для построения своих биомолекул, но в отличие от растений они берут электроны у H 2 вместо H 2 O и переносят эти электроны на NO 3 - , SO 4 2- или О 2 . Этот тип метаболического процесса классифицируется как хемолитоауттрофизм, что означает, что углерод у них происходит из неорганического источника, их конечным акцептором электронов не является O 2 , и они производят и потребляют собственную пищу.
Другой способ, с помощью которого гипертермофилы обеспечивают правильное функционирование своих белков, — это использование белков теплового шока (HSP). Хотя эти HSP не являются уникальными для экстремофилов, их чрезвычайно важно изучать, поскольку HSP, обнаруженные у гипертермофилов, являются наиболее стабильными в своем роде. HSP также способны продлевать жизнь гипертермофила даже за пределами оптимальной температуры роста. Изучая эти белки, возможно, можно будет изучить механизмы, которые белки используют для стабилизации других белков, что может помочь в биосинтезе новых молекул. HSP действуют как белки-шапероны, которые помогают ферментативным белкам сохранять правильную конформацию дольше, чем они могли бы действовать сами по себе при таких высоких температурах. Это часть того, что позволяет P. fumarii существовать при температурах, которые долгое время считались слишком высокими для существования жизни.
Наиболее распространенными организмами, которые собирают CO 2 для создания биомолекул, являются растения и фотосинтезирующие бактерии. Эти конкретные организмы используют цикл Кальвина для фиксации углерода . Однако P. fumarii и другие подобные организмы содержат особые ферменты, которые позволяют им собирать CO 2 при температурах, значительно превышающих те, которые переносят растения и фотосинтезирующие бактерии, с несколько иными механизмами. Альтернативными путями, используемыми этими экстремофилами, являются либо цикл rTCA, цикл 3-HP, цикл 3-HP/4-HP или цикл DC/4-HP. Вероятно, это одни из первых путей развития, поскольку бактерии и археи, использующие их, живут в среде, повторяющей раннюю среду Земли. Таким образом, вполне вероятно, что это одни из первых путей фиксации углерода, которые развились. Цикл rTCA обычно наблюдается у организмов, живущих при температуре от 20 до 90 °C, тогда как организмы, живущие при температуре выше 90 °C, чаще всего используют цикл DC/4-HP. Цикл 3-HP/4-HP чаще всего используется термоацидофилами отряда Sulfolobales .
Циклы rTCA, 3-HP и 3-HP/4-HP очень важны для определенных экстремофилов, но цикл DC/4-HP используется P. fumarii . По этой причине в этой статье цикл DC/4-HP обсуждается более подробно и включает дополнительную информацию о двух альтернативных циклах фиксации углерода с соответствующими ссылками.
Цикл DC/4-HP представляет собой комбинацию цикла rTCA и половины цикла 3-HP/4-HP 4-HP. И циклы DC/4-HP, и циклы 3-HP/4-HP начинаются с ацетоацетил-КоА, который представляет собой молекулу, содержащую две группы ацетил-КоА , позволяющие этому пути проходить дважды только с одной исходной молекулой. Затем ацетил-КоА превращается в пируват , а затем в PEP . Затем цикл DC/4-HP следует за циклом rTCA, превращая PEP в оксалоацетат , затем в малат , затем в фумарат и затем в сукцинат . После образования сукцината этот путь следует тем же этапам, что и путь 3-HP/4-HP. Конечным результатом является регенерация ацетоацетил-КоА, позволяющая начать процесс заново. Единственными уникальными ферментами этого пути являются пируватсинтаза, пируват:водная дикиназа и PEP-карбоксилаза. Поскольку многие этапы пути DC/4-HP наблюдаются и в других путях, в пути DC/4-HP было всего несколько уникальных ферментов, что затрудняло определение существования этого пути в течение длительного времени. . Этот путь был обнаружен у P. fumarii всего несколько лет назад. В цикле DC/4-HP используются те же ферменты для превращения оксалоацетата в сукцинил-КоА, а также все те же ферменты, что и в пути 3-HP/4-HP после образования сукцината.
Одной молекулой, которая была идентифицирована как связанная с гипертермофильными организмами, является ди-мио-инозитолфосфат (ДИП). Инозитол и другие фосфатные производные этой молекулы представляют собой сахара, часто используемые в качестве вторичного мессенджера в эукариотических клетках. Однако DIP был обнаружен только в термофильных клетках, и его использование внутри клеток практически неизвестно. Производное этого сахара под названием UDP-α-GlcNAc3NAc-(4 ←1)-β-GlcpNAc3NAc обнаружено только у P. fumarii . Функция этого сахара неизвестна, но были обнаружены фосфорилированные формы этого сахара в сочетании с UDP-α-Glc-NAc3NAc, который, как известно, участвует в формировании S-слоя . Эти сахара UDP обнаруживаются только тогда, когда клетки находятся в сверхоптимальных условиях роста. Это говорит о том, что эти сахара являются строительными блоками внутри клетки, которые позволяют создавать S-слой, защищающий грамположительные бактерии . Эта связь с S-слоем чрезвычайно важна, поскольку предполагается, что S-слой используется для защиты клетки от теплового стресса, связанного с гипертермофильной средой. Считается также, что S-слой помогает замедлять выход молекул из клетки или ее вход в нее. Хотя эти результаты не являются окончательными, они помогают прояснить, как создается S-слой, который долгие годы оставался загадкой.