stringtranslate.com

Галоферакс вулканический

Haloferax volcanii — вид организмов рода Haloferax в классе архей .

Описание и значение

H. volcanii — галофильная мезофильная архея , которую можно выделить из гиперсоленых сред, таких как: Мертвое море , Большое Соленое озеро и океанические среды с высокими концентрациями хлорида натрия. Haloferax volcanii примечателен тем, что его можно культивировать без особых трудностей, что редкость для экстремофила . H. volcanii — хемоорганотроф , метаболизирующий сахара в качестве источника углерода. [2] Он в основном аэробный , но способен к анаэробному дыханию в бескислородных условиях. [3] Недавно изолят этого вида был изучен исследователями из Калифорнийского университета в Беркли в рамках проекта по выживанию галоархей на Марсе.

Структура генома

Геном H. volcanii состоит из большой (4 Мб ), мультикопийной хромосомы и нескольких мегаплазмид. Полный геном дикого типа штамма H. volcanii (DS2) состоит примерно из 4130 генов. [4]

Геном был полностью секвенирован, и статья, обсуждающая его, была опубликована в 2010 году. [5] Молекулярная биология H. volcanii широко изучалась в течение последнего десятилетия с целью узнать больше о репликации ДНК, репарации ДНК и синтезе РНК. Архейные белки, используемые в этих процессах, чрезвычайно похожи на эукариотические белки и поэтому изучаются в первую очередь как модельная система для этих организмов. H. volcanii подвергается плодовитому горизонтальному переносу генов через механизм «спаривания» — слияния клеток.

Структура клетки и метаболизм

Размножение у H. volcanii происходит бесполым путем путем бинарного деления. Эта практика похожа на практику других архей и, конечно, бактерий.

Как и многие археи, клетки H. volcanii не имеют клеточной стенки и, следовательно, зависят от других механизмов, таких как их S-слой и цитоскелетные белки, для структуры. [6] Отдельные археи H. volcanii могут варьироваться от 1 до 3 микрометров в диаметре. [7] Они плеоморфны, как правило, переходя от подвижных, удлиненных стержневых форм к неподвижным, образующим биопленку дисковым формам по мере старения культуры. [8] Кроме того, биопленки, генерируемые H. volcanii, способны быстро образовывать сотовые узоры при воздействии изменений влажности. [9] Мембраны этого организма состоят из типичных связанных эфиром мембранных липидов, встречающихся исключительно в археях, а также содержат высокий уровень каротиноидов, включая ликопин, который придает им их характерный красный цвет.

H. volcanii используют метод соли для поддержания осмостаза, а не типичный метод совместимых растворов, который наблюдается у бактерий. Этот метод подразумевает поддержание высокого уровня ионов калия в клетке для балансировки ионов натрия снаружи. По этой причине H. volcanii имеет сложную систему ионного регулирования.

H. volcanii будет оптимально расти при температуре 42–45 °C в 1,5–2,5 M NaCl и комплексной питательной среде. Он будет расти и при 37 °C, но ему по-прежнему требуются концентрированный NaCl и комплексная среда. [4]

Благодаря методу соли цитоплазматические белки структурированы для сворачивания в присутствии высоких концентраций ионов. Как таковые, они обычно имеют большое количество заряженных остатков на внешней части белка и очень гидрофобные остатки, образующие ядро. Эта структура значительно увеличивает их стабильность в солевых и даже высокотемпературных средах, но приводит к некоторой потере процессивности по сравнению с бактериальными гомологами.

H. volcanii используют дыхание в качестве единственного источника АТФ, в отличие от некоторых других галобактерий, таких как Halobacterium salinarum, они не способны к фотофосфорилированию , поскольку у них отсутствует необходимый бактериородопсин .

Экология

Изоляты H. volcanii обычно встречаются в высокосоленых водных средах, таких как Мертвое море. Их точная роль в экосистеме не определена, но углеводы, содержащиеся в этих организмах, потенциально служат многим практическим целям. Благодаря своей способности поддерживать гомеостаз, несмотря на соль вокруг них, H. volcanii может играть важную роль в достижениях в области биотехнологии. Поскольку вполне вероятно, что H. volcanii и сопоставимые виды относятся к самым ранним живым организмам, они также предоставляют информацию, связанную с генетикой и эволюцией. [10]

Мертвое море

Мертвое море содержит очень высокую концентрацию солей натрия, магния и кальция. Это сочетание делает море идеальной средой для экстремофилов, таких как H.volcanii . [11] Мертвое море имеет разнообразное сообщество микроорганизмов, хотя полевые испытания, проведенные Капланом и Фридманом, показали, что H.volcanii имел наибольшее численное присутствие в сообществе. [12] Обычно большее количество галофилов можно обнаружить летом, так как Мертвое море намного теплее, в среднем около 37 градусов по Цельсию, и, таким образом, более благоприятно для бактериального цветения. [13] К сожалению, Мертвое море становится менее гостеприимным для экстремофилов, таких как H. volcanii , из-за повышения солености, что объясняется как естественными факторами, так и деятельностью человека. Как преобладающая среда для Haloferax volcanii , изменение солености ставит этот вид под угрозу.

Повреждение ДНК и восстановление

У прокариот геном ДНК организован в динамическую структуру, нуклеоид, который встроен в цитоплазму. Воздействие на Haloferax volcanii стрессов, которые повреждают ДНК, вызывает уплотнение и реорганизацию нуклеоида. [14] Уплотнение зависит от комплекса белков Mre11-Rad50, который используется в гомологичной рекомбинационной репарации двухцепочечных разрывов ДНК. Дельмас и др. [14] предположили, что уплотнение нуклеоида является частью ответа на повреждение ДНК, который ускоряет восстановление клеток, помогая белкам репарации ДНК находить цели и облегчая поиск неповрежденных последовательностей ДНК во время гомологичной рекомбинации.

Генетический обмен

Было показано, что H. volcanii может проходить процесс генетического обмена путем смешивания клеток вместе на твердой нитроцеллюлозной мембране. Процесс трансдукции и трансформации был исключен, оставив конъюгацию как потенциальный механизм передачи. Этот механизм считается новым по сравнению с другими известными формами, поскольку генетический обмен, по-видимому, не является однонаправленным, как в классических формах конъюгации других прокариотических систем. [15]

Необходим длительный контакт между клетками, поскольку клетки, выращенные в жидких средах, при перемешивании не демонстрируют генетического переноса. [15] Эксперименты с электронной микроскопией позволили получить изображения клеток H. volcanii , прикрепленных друг к другу с помощью множественных цитоплазматических мостовидных структур [16] , и считается, что это очевидный метод генетического обмена. Белковый механизм, непосредственно участвующий в формировании этих мостиков и переносе ДНК, еще предстоит открыть, хотя исследование, публикующее данные РНКсека, намекает на различные вовлеченные белки. [17] Другие также показали, что манипулирование концентрацией солей в окружающей среде, [18] глобальным гликозилированием [18] и липидизацией поверхности клеток [19] изменяют скорость генетического переноса.

Было показано, что эта система конъюгации архейной ДНК работает даже межвидовым образом, поскольку H. volcanii и близкородственный вид H. mediterranei способны обмениваться генетической информацией посредством этого процесса на уровне, аналогичном внутривидовому обмену. [20] Если не проводится отбор на необходимость рекомбинации обменивающихся хромосом, рекомбинация не требуется для выживания обменивающихся клеток. Это может привести к образованию гибридных клеток, которые содержат две различные хромосомы. [20]

CRISPR также может играть роль в регуляции этого генетического переноса, поскольку показано, что клетки приобретают новые спейсеры в своих массивах CRISPR во время этого процесса. [21]

Астробиология

Условия, в которых выживает Haloferax volcanii — высокая соленость и высокая радиация — очень похожи на условия, встречающиеся на поверхности Марса. Следовательно, в настоящее время этот организм используется для проверки выживаемости экстремофилов, обитающих на Земле, на Марсе. Достижения в этой области могут привести к более глубокому пониманию возможности и развития внеземной жизни. [22]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ «LPSN - Список названий прокариот, имеющих место в номенклатуре» . Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen . Проверено 14 июля 2022 г.
  2. ^ Орен, А. (2014). «Отряд Halanaerobiales и семейства Halanaerobiaceae и Halobacteroidaceae». Розенберг, Э.; Делонг, EF; Лори, С.; Стакебрандт, Э.; Томпсон, Ф. (ред.). Фирмикуты и Тенерикуты . Прокариоты (4-е изд.). Спрингер. стр. 153–177. дои : 10.1007/978-3-642-30120-9_218. ISBN 978-3-642-30120-9.
  3. ^ Zaigler A, Schuster SC, Soppa J (май 2003 г.). «Конструирование и использование микроматрицы ДНК с однократным покрытием для характеристики метаболизма археона Haloferax volcanii». Mol Microbiol . 48 (4): 1089–105. doi :10.1046/j.1365-2958.2003.03497.x. PMID  12753198.
  4. ^ ab "UCSC Genome Browser Gateway". archaea.ucsc.edu . Получено 20.04.2017 .
  5. ^ Hartman, AL; Norais, C; Badger, JH; Delmas, S; Haldenby, S; Madupu, R; Robinson, J; Khouri, H; Ren, Q; Lowe, TM; Maupin-Furlow, J; Pohlschroder, M; Daniels, C; Pfeiffer, F; Allers, T; Eisen, JA (2010). "Полная последовательность генома Haloferax volcanii DS2, модельного археона". PLOS ONE . 5 (3): e9605. Bibcode : 2010PLoSO ...5.9605H. doi : 10.1371/journal.pone.0009605 . PMC 2841640. PMID  20333302. 
  6. ^ Даггин и др. 2014
  7. ^ Гаррити, ГМ, Кастенхольц, РВ и Бун, Д.Р. (ред.) Руководство Берджи по системной бактериологии, том первый: Археи и глубоко ветвящиеся и фототрофные бактерии. 2-е изд. Нью-Йорк: Springer. 2001. стр. 316.
  8. ^ Уолш и др. 2019
  9. ^ Шиллер, Хизер; Шульце, Стефан; Мутан, Зуха; де Во, Шарлотта; Ранси, Каталина; Шварц, Джессика; Радос, Теопи; Биссон Фильо, Александр В.; Польшредер, Мехтильд (январь 2020 г.). « Погруженные в жидкость биопленки Haloferax Volcanii развиваются независимо от известных механизмов создания биопленок и демонстрируют быстрое формирование сотовой структуры». bioRxiv 10.1101/2020.18.07.206797 . 
  10. ^ См. веб-страницу NCBI по Галофераксу. Данные взяты из "NCBI taxonomy resources". Национальный центр биотехнологической информации . Получено 2007-03-19 .
  11. ^ Орен, А. (1983). «Динамика популяции галобактерий в водной толще Мертвого моря». Лимнология и океанография . 28 (6): 1094–1103. Bibcode :1983LimOc..28.1094O. doi :10.4319/lo.1983.28.6.1094.
  12. ^ Mullakhanbhai MF, Larsen H (август 1975). " Halobacterium volcanii spec. nov., галобактерия Мертвого моря с умеренной потребностью в соли". Arch Microbiol . 104 (3): 207–14. Bibcode : 1975ArMic.104..207M. doi : 10.1007/BF00447326. PMID  1190944.
  13. ^ Нив, Д.; Эмери, К.О. (1967). Мертвое море: процессы осадконакопления и среда эвапоритов. Бюллетень (Makhon ha-geʼologi (Израиль)). Т. 41. OCLC  525060.
  14. ^ ab Delmas, S; Duggin, IG; Allers, T (2013). «Повреждение ДНК вызывает уплотнение нуклеоида через комплекс Mre11-Rad50 в архее Haloferax volcanii». Mol Microbiol . 87 (1): 168–79. doi :10.1111/mmi.12091. PMC 3565448. PMID  23145964 . 
  15. ^ аб Меварех, М; Верчбергер, Р. (апрель 1985 г.). «Генетический перенос в Halobacterium volcanii». Журнал бактериологии . 162 (1): 461–2. дои : 10.1128/jb.162.1.461-462.1985. ISSN  0021-9193. ПМК 219016 . ПМИД  3980444. 
  16. ^ Розеншайн, И.; Челет, Р.; Мевареч, М. (1989-09-22). «Механизм передачи ДНК в системе спаривания архебактерий». Science . 245 (4924): 1387–9. Bibcode :1989Sci...245.1387R. doi :10.1126/science.2818746. ISSN  0036-8075. PMID  2818746.
  17. ^ Makkay, Andrea M.; Louyakis, Artemis S.; Ram-Mohan, Nikhil; Gophna, Uri; Gogarten, J. Peter; Papke, R. Thane (2020-12-18). "Insights into gene expression changes under conditions that promote horizontal gene transfer (mating) of a model archaeon". Scientific Reports . 10 (1): 22297. Bibcode :2020NatSR..1022297M. doi :10.1038/s41598-020-79296-w. ISSN  2045-2322. PMC 7749143 . PMID  33339886. 
  18. ^ ab Шалев, Ярден; Тургеман-Гротт, Исраэла; Тамир, Ади; Эйхлер, Джерри; Гофна, Ури (2017). «Гликозилирование поверхности клеток необходимо для эффективного спаривания Haloferax volcanii». Frontiers in Microbiology . 8 : 1253. doi : 10.3389/fmicb.2017.01253 . ISSN  1664-302X. PMC 5496957. PMID 28725221  . 
  19. ^ Абдул Халим, Мохд Фарид; Пфайффер, Фридхельм; Зоу, Джеймс; Фриш, Эндрю; Хафт, Даниэль; Ву, Си; Толич, Никола; Брюэр, Хизер; Пейн, Сэмюэл Х.; Паша-Толич, Лилиана; Польшродер, Мехтхильд (июнь 2013 г.). «Археосортаза Haloferax volcanii необходима для подвижности, спаривания и С-концевой обработки гликопротеина S-слоя». Молекулярная микробиология . 88 (6): 1164–75. doi :10.1111/mmi.12248. ISSN  1365-2958. PMID  23651326. S2CID  5756916.
  20. ^ аб Наор, Адит; Лапьер, Паскаль; Меварех, Моше; Папке, Р. Тейн; Гофна, Ури (07 августа 2012 г.). «Низкие видовые барьеры у галофильных архей и образование рекомбинантных гибридов». Современная биология . 22 (15): 1444–8. Бибкод : 2012CBio...22.1444N. дои : 10.1016/j.cub.2012.05.056 . ISSN  1879-0445. PMID  22748314. S2CID  12634287.
  21. ^ Тургеман-Гротт, Исраэла; Джозеф, Ширли; Мартон, Сэм; Эйзенштейн, Ким; Наор, Адит; Суси, Шеннон М.; Штахлер, Арис-Эдда; Шалев, Ярден; Заркор, Мор; Решеф, Лия; Альтман-Прайс, Нета; Марчфельдер, Анита; Гофна, Ури (январь 2019 г.). «Всепроникающее приобретение памяти CRISPR, обусловленное межвидовым спариванием архей, может ограничить передачу генов и повлиять на видообразование». Nature Microbiology . 4 (1): 177–186. doi :10.1038/s41564-018-0302-8. ISSN  2058-5276. PMC 6298592 . PMID  30478289. 
  22. ^ ДасСарма, С. (2006). «Экстремальные галофилы — модели для астробиологии» (PDF) . Журнал Microbe . 1 (3): 120–6. doi :10.1128/MICROBE.1.120.1.

Источники

Дальнейшее чтение

Научные книги

Внешние ссылки