Halobacterium (распространенное сокращение Hbt. ) — род семейства Halobacteriaceae . [1]
Род Halobacterium («соль» или «океаническая бактерия » ) состоит из нескольких видов архей с аэробным метаболизмом , которым требуется среда с высокой концентрацией соли ; многие из их белков не будут функционировать в среде с низким содержанием соли. Они растут на аминокислотах в аэробных условиях. Их клеточные стенки также сильно отличаются от стенок бактерий , поскольку обычные липопротеиновые мембраны разрушаются при высоких концентрациях солей. По форме они могут быть либо палочками, либо кокками , а по цвету – либо красными, либо фиолетовыми. Они размножаются с помощью бинарного деления (путем сжатия) и подвижны . Галобактерии лучше всего растут при температуре 42 °C. Геном неустановленного вида Halobacterium , секвенированный Шиладитьей ДасСармой , состоит из 2 571 010 пар оснований ДНК, собранных в три кольцевые цепи: одну большую хромосому с 2 014 239 пар оснований и две меньшие по размеру с 191 346 и 365 425 пар оснований. Этот вид, названный Halobacterium sp. NRC-1 широко использовался для постгеномного анализа. Виды Halobacterium можно встретить в Большом Соленом озере , Мертвом море , озере Магади и любых других водах с высокой концентрацией соли. Виды Purple Halobacterium обязаны своим цветом бактериородопсину , светочувствительному белку, который обеспечивает химическую энергию для клетки, используя солнечный свет для выкачивания протонов из клетки. Возникающий в результате градиент протонов через клеточную мембрану используется для синтеза энергоносителя АТФ . Таким образом, когда эти протоны поступают обратно, они используются в синтезе АТФ (этот поток протонов можно эмулировать снижением pH вне клетки, вызывая поток ионов H + ). Белок бактериородопсина химически очень похож на светочувствительный пигмент родопсин, обнаруженный в сетчатке позвоночных .
Принятая в настоящее время таксономия основана на Списке номенклатурных названий прокариот (LPSN) [2] и Национальном центре биотехнологической информации (NCBI). [3]
Геном Halobacterium NRC-1 имеет длину 2 571 010 пар оснований и состоит из трех кольцевых репликонов . Точнее, он разделен на одну большую хромосому с 2 014 239 п.н. и два маленьких репликона pNRC100 (191 346 п.н.) и pNRC200 (365 425 п.н.). Хотя эти две плазмиды намного меньше большой хромосомы, они составляют большую часть из 91 инсерционной последовательности и включают гены ДНК-полимеразы , семь факторов транскрипции , гены поглощения калия и фосфатов, а также деления клеток. Было обнаружено, что геном содержит высокое содержание G+C: 67,9% на большой хромосоме и 57,9% и 59,2% на двух плазмидах. Геном также содержал 91 элемент инсерционной последовательности, составляющие 12 семейств, в том числе 29 на pNRC100, 40 на pNRC200 и 22 на большой хромосоме. Это помогает объяснить генетическую пластичность, наблюдаемую у Halobacterium . Из архей галобактерии рассматриваются как участвующие в наиболее латеральной генетике (переносе генов между доменами) и являются доказательством того, что этот перенос действительно имеет место.
Виды галобактерий имеют палочковидную форму и покрыты единственной липидной двухслойной мембраной, окруженной S-слоем , состоящим из гликопротеина клеточной поверхности. Они растут на аминокислотах в аэробных условиях. Хотя Halobacterium NRC-1 содержит гены расщепления глюкозы, а также гены ферментов пути окисления жирных кислот, она, похоже, не способна использовать их в качестве источников энергии. Хотя цитоплазма сохраняет осмотическое равновесие с гиперсоленой средой, клетка поддерживает высокую концентрацию калия, используя множество активных переносчиков.
Многие виды Halobacterium обладают белковыми органеллами, называемыми газовыми пузырьками.
Галобактерии можно найти в сильно соленых озерах, таких как Большое Соленое озеро, Мертвое море и озеро Магади. Галобактерии можно идентифицировать в водоемах по светочувствительному пигменту бактериородопсину, который не только обеспечивает архею химической энергией, но и придает ей красноватый оттенок. Оптимальная температура для роста наблюдается при 37°С.
Галобактерия может быть кандидатом на роль формы жизни, присутствующей на Марсе. Одной из проблем, связанных с выживанием на Марсе, является разрушительный ультрафиолет. Эти микроорганизмы образуют тонкую соляную корку, которая может смягчить часть ультрафиолетового света. Хлорид натрия является наиболее распространенной солью, а хлоридные соли непрозрачны для коротковолнового ультрафиолета. Их фотосинтетический пигмент, бактериородопсин, на самом деле непрозрачен для длинноволнового ультрафиолета (его красный цвет). Кроме того, Halobacterium производит пигменты, называемые бактериоруберинами, которые, как считается, защищают клетки от повреждения ультрафиолетовым светом. Препятствием, которое им необходимо преодолеть, является способность расти при низкой температуре в течение предположительно короткого времени, когда резервуар с водой может быть жидким.
Существует потенциал для использования видов Halobacterium в пищевой промышленности. [10] Некоторые примеры использования могут включать производство бета-каротина , пигмента галофильных бактерий, который способствует их красной окраске, который используется в пищевой промышленности в качестве натурального пищевого красителя. Галофилы также производят деградирующие ферменты, такие как липазы , амилазы , протеазы и ксиланазы , которые используются в различных методах обработки пищевых продуктов. Известные применения этих ферментов включают усиление процесса ферментации соленых продуктов, улучшение качества теста для выпечки хлеба и участие в производстве кофе. [10] [11]
Многие виды галофильных бактерий продуцируют экзополисахариды (ЭПС), которые используются в промышленности в качестве средств биоремедиации . Биосурфактанты также выделяются многими галофильными бактериями, и эти амфифильные соединения используются для восстановления почвы. Многие галофилы обладают высокой толерантностью к тяжелым металлам, что делает их потенциально полезными для биоремедиации ксенобиотических соединений и тяжелых металлов, которые попадают в окружающую среду в результате добычи полезных ископаемых и нанесения металлического покрытия. Галофилы способствуют биоремедиации загрязнений, превращая ксенобиотики в менее токсичные соединения. [11] Было показано, что некоторые виды Halobacterium эффективны при биологической очистке загрязнителей, включая алифатические углеводороды, например, те, которые содержатся в сырой нефти; и ароматические углеводороды, такие как 4-гидроксибензойная кислота , загрязнитель некоторых промышленных сточных вод с высокой соленостью. [ нужна цитата ]
Некоторые штаммы Halobacterium , включая Halobacterium salinarum , исследуются на предмет медицинского применения их механизмов радиационной устойчивости. Бактериоруберин — это каротиноидный пигмент, обнаруженный в Halobacterium , который снижает чувствительность бактерий к γ-излучению и УФ-излучению. [12]
В нокаут-исследованиях было показано, что отсутствие бактериоруберина повышает чувствительность бактерии к окислительным агентам, повреждающим ДНК. Перекись водорода, например, реагирует с бактериоруберином, который предотвращает выработку активных форм кислорода и, таким образом, защищает бактерию за счет снижения окислительной способности агента, повреждающего ДНК. [13]
H. salinarum также демонстрирует высокие внутриклеточные концентрации хлорида калия, который, как также было показано, придает устойчивость к радиации. Галобактерии также исследуются на предмет фармацевтического применения производимых ими биоактивных соединений, включая противораковые средства, противомикробные биосурфактанты и противомикробные метаболиты. [12]
Галобактерии — это галофильные микроорганизмы, которые в настоящее время изучаются на предмет их использования в научных исследованиях и биотехнологиях. Например, геномное секвенирование видов Halobacterium NRC-1 выявило использование ими эукариоподобной РНК-полимеразы II и механизма трансляции, родственных Escherichia coli и другим грамотрицательным бактериям. Кроме того, они обладают генами репликации, репарации и рекомбинации ДНК, сходными с теми, которые присутствуют в бактериофагах, дрожжах и бактериях. Способность этого вида Halobacterium легко культивироваться и генетически модифицироваться позволяет использовать его в качестве модельного организма в биологических исследованиях. [14] Кроме того, Halobacterium NRC-1 также использовалась в качестве потенциального вектора для доставки вакцин. В частности, они производят газовые везикулы, которые можно генетически сконструировать для отображения специфических эпитопов. Кроме того, газовые везикулы демонстрируют способность действовать как естественные адъюванты, помогая вызывать более сильные иммунные реакции. Из-за потребности галобактерий в среде с высоким содержанием соли приготовление этих газовых пузырьков является недорогим и эффективным: для их выделения требуется только водопроводная вода. [15]
Галобактерии также содержат белок под названием Bacterihodopsins , который представляет собой управляемый светом протонный насос, обнаруженный на клеточной мембране. Хотя большинству белков галофилов для правильной структуры и функционирования необходимы высокие концентрации соли, этот белок показал потенциал для использования в биотехнологических целях из-за его стабильности даже за пределами этих экстремальных условий. Бактериородопсины, выделенные из Halobacterium salinarum , были специально изучены на предмет их применения в электронике и оптике. В частности, бактериородопсины использовались в голографическом хранении, оптическом переключении, обнаружении движения и нанотехнологиях . Хотя были представлены многочисленные варианты использования этого белка, на данный момент еще не разработано какое-либо крупномасштабное коммерческое применение. [16]
УФ- облучение Halobacterium sp. Штамм NRC-1 индуцирует несколько генных продуктов, используемых в гомологичной рекомбинации . [17] Например, гомолог гена rad51 / recA , который играет ключевую роль в рекомбинации, индуцируется УФ-излучением в 7 раз. Гомологичная рекомбинация может спасти остановившуюся репликационную вилку и/или облегчить рекомбинационное восстановление повреждений ДНК. [17] В естественной среде обитания гомологичная рекомбинация, вероятно, индуцируется УФ-облучением солнечного света.
Halobacterium volcanii имеет особую систему спаривания, в которой цитоплазматические мостики между клетками, по-видимому, используются для переноса ДНК от одной клетки к другой. [18] В диких популяциях Halorubrum часто происходят генетический обмен и рекомбинация. [19] Этот обмен может быть примитивной формой полового взаимодействия, похожей на более хорошо изученную бактериальную трансформацию, которая также представляет собой процесс переноса ДНК между клетками, ведущий к гомологичной рекомбинационной репарации повреждений ДНК. [ нужна цитата ]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )