Deinococcus radiodurans — бактерия , экстремофил и один из самых устойчивых к радиации организмов . Она может выживать в условиях холода, обезвоживания , вакуума и кислоты , поэтому ее называют полиэкстремофилом .В январе 1998 года Книга рекордов Гиннесса [1] включила ее в список самых устойчивых к радиации бактерий или форм жизни в мире. [2] Однако архея Thermococcus gammatolerans на самом деле является самым устойчивым к радиации организмом.
Название Deinococcus radiodurans происходит от древнегреческого δεινός ( deinos ) и κόκκος ( kokkos ), что означает «ужасное зерно/ягода», и латинских radius и durare , что означает «выживающий под воздействием радиации». Ранее вид назывался Micrococcus radiodurans . Вследствие своей выносливости он получил прозвище «Конан-Бактерия» в честь Конана-варвара . [3]
Первоначально он был помещен в род Micrococcus . После оценки последовательностей рибосомной РНК и других доказательств он был помещен в собственный род Deinococcus , который тесно связан с родом Thermus . [4]
Deinococcus — один из трёх родов порядка Deinococcales . D. radiodurans — типовой вид этого рода и наиболее изученный представитель. Все известные представители рода являются радиорезистентными: D. proteolyticus , D. radiopugnans , D. radiophilus , D. grandis , D. indicus , D. frigens , D. saxicola , D. marmoris , D. deserti , [5] D. geothermalis и D. murrayi ; последние два также являются термофильными . [6]
D. radiodurans был обнаружен в 1956 году Артуром Андерсоном на Орегонской сельскохозяйственной экспериментальной станции в Корваллисе, штат Орегон . [7] Проводились эксперименты, чтобы определить, можно ли стерилизовать консервы с помощью высоких доз гамма-излучения . Банка мяса была подвергнута воздействию дозы радиации, которая, как считалось, убивает все известные формы жизни, но впоследствии мясо испортилось, и D. radiodurans был изолирован. [1]
Полная последовательность ДНК D. radiodurans была опубликована в 1999 году Институтом геномных исследований . Подробная аннотация и анализ генома появились в 2001 году. [4] Секвенированный штамм был ATCC BAA-816.
Deinococcus radiodurans обладает уникальным качеством, благодаря которому он может восстанавливать как одноцепочечную , так и двухцепочечную ДНК. Когда повреждение очевидно для клетки, он переносит поврежденную ДНК в компартментальную кольцевую структуру, где ДНК восстанавливается, а затем способен слить нуклеоиды извне компартмента с поврежденной ДНК. [8]
В августе 2020 года ученые сообщили, что бактерии с Земли, в частности бактерии Deinococcus radiodurans , были обнаружены выживающими в течение трех лет в открытом космосе , на основе исследований, проведенных на Международной космической станции (МКС). Эти результаты подтверждают идею панспермии , гипотезу о том, что жизнь существует во всей Вселенной , распространенной различными способами, включая космическую пыль , метеороиды , астероиды , кометы , планетоиды или загрязненные космические аппараты . [9] [10]
D. radiodurans — довольно крупная сферическая бактерия диаметром от 1,5 до 3,5 мкм . [11] Четыре клетки обычно слипаются, образуя тетраду. Бактерии легко культивируются и, по-видимому, не вызывают заболеваний. [4] При контролируемых условиях роста можно получить клетки димерной, тетрамерной и даже мультимерной морфологии. [11] Колонии гладкие, выпуклые, розового или красного цвета. Клетки окрашиваются по Граму положительно , хотя их клеточная оболочка необычна и напоминает клеточные стенки грамотрицательных бактерий. [12]
Deinococcus radiodurans не образует эндоспор и неподвижен. Это облигатный аэробный хемоорганогетеротроф , то есть он использует кислород для получения энергии из органических соединений в окружающей среде. Он часто встречается в местах обитания, богатых органическими материалами, такими как сточные воды, мясо, фекалии или почва, но также был выделен из медицинских инструментов, комнатной пыли, текстиля и сушеных продуктов. [12]
Он чрезвычайно устойчив к ионизирующему излучению , ультрафиолетовому свету, высыханию , а также окислителям и электрофильным агентам. [13]
Для проверки наличия D. radiodurans в природе можно использовать методы ПЦР и флуоресцентной гибридизации in situ (FISH) . [ необходима ссылка ]
Его геном состоит из двух кольцевых хромосом , одна длиной 2,65 миллиона пар оснований, а другая длиной 412 000 пар оснований, а также мегаплазмида из 177 000 пар оснований и плазмида из 46 000 пар оснований. Он имеет приблизительно 3195 генов . В своей стационарной фазе каждая бактериальная клетка содержит четыре копии этого генома; при быстром размножении каждая бактерия содержит 8-10 копий генома. [ необходима цитата ]
Deinococcus radiodurans способен выдерживать острую дозу в 5000 грей (Гр) или 500000 рад ионизирующего излучения практически без потери жизнеспособности и острую дозу в 15000 Гр с 37% жизнеспособностью. [14] [15] [16] По оценкам, доза в 5000 Гр вносит несколько сотен двухцепочечных разрывов (DSB) в ДНК организма (~0,005 DSB/Гр/Мбп (гаплоидный геном)). Для сравнения, рентген грудной клетки или миссия Apollo требуют около 1 мГр, 5 Гр могут убить человека, 200–800 Гр убьют E. coli , а более 4000 Гр убьют устойчивую к радиации тихоходку . [ требуется ссылка ]
В настоящее время известно несколько бактерий с сопоставимой радиорезистентностью, включая некоторые виды рода Chroococcidiopsis (филюм цианобактерий ) и некоторые виды Rubrobacter (филюм актиномицетов ); среди архей сопоставимую радиорезистентность демонстрирует вид Thermococcus gammatolerans . [6] Deinococcus radiodurans также обладает уникальной способностью восстанавливать поврежденную ДНК. Он изолирует поврежденные сегменты в контролируемой области и восстанавливает их. Эти бактерии также могут восстанавливать множество небольших фрагментов из целой хромосомы. [8]
Deinococcus достигает своей устойчивости к радиации за счет наличия нескольких копий своего генома и быстрых механизмов репарации ДНК . Обычно он восстанавливает разрывы в своих хромосомах в течение 12–24 часов с помощью двухэтапного процесса. Во-первых, D. radiodurans воссоединяет некоторые фрагменты хромосом с помощью процесса, называемого одноцепочечным отжигом. На втором этапе несколько белков исправляют двухцепочечные разрывы посредством гомологичной рекомбинации . Этот процесс не вносит больше мутаций, чем обычный раунд репликации. Теоретически, у Deinococcus должно быть мало или вообще не должно быть накопления мутаций. [ необходима цитата ]
Анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии показал, что ДНК у D. radiodurans организована в плотно упакованные тороиды , что может способствовать восстановлению ДНК. [17]
Группа хорватских и французских исследователей под руководством Мирослава Радмана бомбардировала D. radiodurans , чтобы изучить механизм репарации ДНК. По крайней мере две копии генома со случайными разрывами ДНК могут образовывать фрагменты ДНК посредством отжига . Частично перекрывающиеся фрагменты затем используются для синтеза гомологичных областей посредством движущейся D-петли , которая может продолжать расширение до тех пор, пока фрагменты не найдут комплементарные партнерские нити. На последнем этапе происходит кроссинговер посредством RecA -зависимой гомологичной рекомбинации . [18]
Deinococcus radiodurans способен к генетической трансформации, процессу, при котором ДНК, полученная из одной клетки, может быть взята другой клеткой и интегрирована в геном реципиента путем гомологичной рекомбинации. [19] Когда повреждения ДНК (например, пиримидиновые димеры) вводятся в ДНК донора посредством УФ-облучения, клетки-реципиенты эффективно восстанавливают повреждения в трансформирующей ДНК, как они это делают в клеточной ДНК, когда сами клетки подвергаются облучению.
Майкл Дейли предположил, что бактерия использует комплексы марганца в качестве антиоксидантов для защиты от радиационного повреждения. [20] В 2007 году его группа показала, что высокие внутриклеточные уровни марганца(II) в D. radiodurans защищают белки от окисления радиацией, и они предложили идею о том, что «белок, а не ДНК, является основной целью биологического действия [ионизирующего излучения] у чувствительных бактерий, а чрезвычайная устойчивость у бактерий, накапливающих марганец, основана на защите белков». [21] В 2016 году Массимилиано Пеана и др . сообщили о спектроскопическом исследовании с использованием методов ЯМР, ЭПР и ESI-MS по взаимодействию Mn(II) с двумя пептидами, DP1 (DEHGTAVMLK) и DP2 (THMVLAKGED), аминокислотный состав которых был выбран так, чтобы включить большинство наиболее распространенных аминокислот, присутствующих в бесклеточном экстракте бактерии Deinococcus radiodurans, который содержит компоненты, способные придавать экстремальную устойчивость к ионизирующему излучению. [22] В 2018 году М. Пеана и К. Часапис сообщили о комбинированном подходе биоинформатических стратегий, основанном на структурных данных и аннотации, о белках, связывающих Mn(II), кодируемых геномом DR, и предложили модель взаимодействия марганца с сетью протеома DR, участвующих в реакции и защите от ROS. [23]
Группа российских и американских ученых предположила, что радиорезистентность D. radiodurans имеет марсианское происхождение. Они предположили, что эволюция микроорганизма могла происходить на поверхности Марса, пока он не был доставлен на Землю на метеорите . [24] Однако, помимо своей устойчивости к радиации, Deinococcus генетически и биохимически очень похож на другие земные формы жизни, что свидетельствует против внеземного происхождения, не свойственного им.
В 2009 году сообщалось, что оксид азота играет важную роль в восстановлении бактерий после воздействия радиации: этот газ необходим для деления и пролиферации после восстановления повреждений ДНК. Был описан ген, который увеличивает выработку оксида азота после воздействия УФ-излучения, и при отсутствии этого гена бактерии все еще могли восстанавливать повреждения ДНК, но не росли. [25]
Постоянный вопрос относительно D. radiodurans заключается в том, как могла развиться такая высокая степень радиорезистентности. Уровни естественного фонового излучения очень низкие — в большинстве мест порядка 0,4 мГр в год, а самый высокий известный фоновой радиации, около Рамсара , Иран , составляет всего 260 мГр в год. При столь низких уровнях естественного фонового излучения маловероятно, что организмы выработают механизмы, специально предназначенные для защиты от воздействия высокой радиации. В далеком геологическом прошлом более высокий фон радиации существовал как из-за большего количества первичных радионуклидов, еще не распавшихся, так и из-за воздействия таких вещей, как естественные ядерные реакторы деления в Окло, Габон, которые были активны около 1,7 миллиарда лет назад. Однако даже если бы адаптации к таким условиям действительно развивались в то время, генетический дрейф почти наверняка устранил бы их, если бы они не давали (другой) эволюционной выгоды. [ необходима цитата ]
Валери Маттимор из Университета штата Луизиана предположила, что радиорезистентность D. radiodurans является просто побочным эффектом механизма борьбы с длительным клеточным высыханием (сухостью). Чтобы подтвердить эту гипотезу, она провела эксперимент, в котором продемонстрировала, что мутантные штаммы D. radiodurans , которые очень восприимчивы к повреждениям от ионизирующего излучения , также очень восприимчивы к повреждениям от длительного высыхания, в то время как штамм дикого типа устойчив к обоим. Было также показано, что высыхание вызывает двухцепочечные разрывы ДНК с паттернами, похожими на экстремальное ионизирующее излучение. [26] В дополнение к репарации ДНК, D. radiodurans использует экспрессию белков LEA ( Late Embryogenesis Abundant proteins ) [27] для защиты от высыхания. [28]
В этом контексте также прочный S-слой D. radiodurans через его основной белковый комплекс, S-слой комплекса связывания деиноксантина (SDBC), вносит большой вклад в его экстремальную радиорезистентность. Фактически, этот S-слой действует как щит против электромагнитного стресса, как в случае воздействия ионизирующего излучения, но также стабилизирует клеточную стенку против возможных последующих высоких температур и высыхания. [29] [30]
Было показано, что Deinococcus radiodurans имеет большой потенциал для использования в различных областях исследований. D. radiodurans не только был генетически модифицирован для применения в биоремедиации , но также было обнаружено, что он может играть важную роль в биомедицинских исследованиях и в нанотехнологиях .
Биоремедиация относится к любому процессу, который использует микроорганизмы, грибы, растения или ферменты, полученные из них, для возвращения окружающей среды, измененной загрязнителями, в ее естественное состояние. Большие площади почв, отложений и грунтовых вод загрязнены радионуклидами , тяжелыми металлами и токсичными растворителями. Существуют микроорганизмы, которые способны дезактивировать почвы тяжелыми металлами , иммобилизуя их, но в случае с ядерными отходами ионизирующее излучение ограничивает количество микроорганизмов, которые могут быть полезны. В этом смысле D. radiodurans , благодаря своим характеристикам, может использоваться для обработки отходов ядерной энергетики . Deinococcus radiodurans был генетически модифицирован для потребления и переваривания растворителей и тяжелых металлов в этих радиоактивных средах. Ген ртутной редуктазы был клонирован из Escherichia coli в Deinococcus для детоксикации ионного остатка ртути, часто встречающегося в радиоактивных отходах, образующихся при производстве ядерного оружия . [31] Эти исследователи разработали штамм Deinococcus , который мог детоксифицировать как ртуть, так и толуол в смешанных радиоактивных отходах. Более того, ген, кодирующий неспецифическую кислую фосфатазу из Salmonella enterica , серовар Typhi, [32] и ген щелочной фосфатазы из Sphingomonas [33], были введены в штаммы D. radiodurans для биопреципитации урана в кислых и щелочных растворах соответственно.
В области биомедицины Deinococcus radiodurans может быть использован в качестве модели для изучения процессов, которые приводят к старению и раку . Основные причины этих физиологических изменений связаны с повреждением ДНК , РНК и белков в результате окислительного стресса , ослаблением антиоксидантной защиты и неспособностью механизмов восстановления справляться с повреждениями, вызванными активными формами кислорода , также известными как ROS. В этом смысле механизмы защиты от окислительного повреждения и репарации ДНК D. radiodurans могут стать отправными точками в исследованиях, направленных на разработку медицинских процедур для предотвращения старения и рака . [34] Некоторые направления исследований сосредоточены на применении антиоксидантных систем D. radiodurans в клетках человека для предотвращения повреждения ROS и изучении развития устойчивости к радиации в опухолевых клетках. [35]
Также было описано нанотехнологическое применение D. radiodurans в синтезе наночастиц серебра [36] и золота [37] . В то время как химические и физические методы получения этих наночастиц являются дорогостоящими и генерируют огромное количество загрязняющих веществ , биосинтетические процессы представляют собой экологически чистую и более дешевую альтернативу. Важность этих наночастиц зависит от их медицинского применения, поскольку было продемонстрировано, что они проявляют активность против патогенных бактерий, противообрастающие эффекты и цитотоксичность по отношению к опухолевым клеткам.
Более того, существуют и другие необычные применения Deinococcus radiodurans . Институт Крейга Вентера использовал систему, полученную из механизмов быстрого восстановления ДНК D. radiodurans , для сборки синтетических фрагментов ДНК в хромосомы с конечной целью создания синтетического организма, который они назвали Mycoplasma laboratorium . [38] В 2003 году американские ученые продемонстрировали, что D. radiodurans можно использовать в качестве средства хранения информации, которое может пережить ядерную катастрофу. Они перевели песню « It's a Small World » в серию сегментов ДНК длиной 150 пар оснований , вставили их в бактерии и смогли извлечь их без ошибок 100 поколений бактерий спустя. [39]
При культивировании и воздействии ионизирующего излучения в жидких средах Deinococcus radiodurans мог выживать при дозе до 25 кГр. [40] Хорн и др. (2022) изучали влияние высыхания и замораживания на выживаемость микроорганизмов при ионизирующем излучении, рассматривая исследования осуществимости возвращения образцов марсианской подповерхностной почвы для микробной характеристики и определения наиболее благоприятных мест посадки будущей роботизированной исследовательской миссии. [41] Они обнаружили, что высушенные и замороженные клетки могли выдерживать дозу радиации в 5,6 раза выше: до 140 кГр. Они подсчитали, что это может соответствовать теоретическому времени выживания в 280 миллионов лет на глубине 33 футов (10 м) под нынешней поверхностью Марса. Однако этот временной масштаб слишком короток, чтобы позволить микробам выживать на глубине, доступной для марсохода, оснащенного системой бурения под поверхностью Марса, по сравнению с моментом, когда жидкая вода исчезла с поверхности Марса (2–2,5 миллиарда лет назад). Тем не менее, Хорн и др. (2022) рассматривают гипотезу о том, что удары метеоритов могли рассеять марсианскую почву и локально нагреть недра в течение геологической истории Марса, время от времени нагревая местную среду, растапливая замороженный лед и, возможно, давая шанс гипотетическому далекому марсианскому экстремофилу, похожему на своего земного кузена Deinococcus radiodurans, снова вырасти на короткое время, прежде чем быстро снова замерзнуть и впасть в спячку на миллионы лет. Таким образом, для возвращения образцов подповерхностного грунта с Марса для микробной характеристики с помощью потенциально «успешной» миссии, такой как европейский марсоход «Розалинд Франклин» , необходимо было бы нацелиться на относительно молодой ударный кратер , чтобы увеличить шансы обнаружения спящих экстремофильных микроорганизмов, выживающих в сухой и замерзшей марсианской подповерхностной среде, относительно защищенной от смертельной ионизирующей радиации. [40]
Красная бактерия Deinococcus radiodurans может выдерживать 1,5 миллиона рад гамма-излучения, что примерно в 3000 раз превышает количество, которое убьет человека. Бактерия была впервые выделена из мясных консервов, которые были подвергнуты предположительно стерилизующим дозам радиации в диапазоне мегарад.
Deinococcus radiodurans занесена в Книгу рекордов Гиннесса как «самая выносливая бактерия в мире».
Медиа, связанные с Deinococcus radiodurans на Wikimedia Commons
Данные, относящиеся к Deinococcus radiodurans на Wikispecies