stringtranslate.com

Галоферакс вулканический

Haloferax volcanii — вид организмов рода Haloferax в архее .

Описание и значение

Микробиолог Бенджамин Элазари Вулкани впервые обнаружил Haloferax volcanii , одноименного экстремофила, в 1930-х годах. H. volcanii — галофильный мезофильный архей, которого можно выделить из гиперсоленой среды, такой как Мертвое море, Большое Соленое озеро и океаническая среда с высоким содержанием хлорида натрия. Haloferax volcanii примечателен тем, что его можно без особого труда культивировать, что редко встречается у экстремофила. H. volcanii является хемоорганотрофом, метаболизирующим 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 ) многокопийной хромосомы и нескольких мегаплазмид. Полный геном штамма дикого типа 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, чтобы узнать больше о репликации ДНК, репарации ДНК и синтезе РНК. Белки архей, используемые в этих процессах, чрезвычайно похожи на белки эукариот и поэтому изучаются в первую очередь как модельная система для этих организмов. H. volcanii подвергается интенсивному горизонтальному переносу генов посредством механизма «спаривания» - слияния клеток.

Структура клетки и метаболизм

Размножение H. volcanii происходит бесполым путем путем бинарного деления. Эта практика аналогична практике других архей и, более того, бактерий.

Как и многие археи, клетки H. volcanii не имеют клеточной стенки и, следовательно , структура зависит от других механизмов, таких как S-слой и белки цитоскелета. [6] Отдельный архей H. volcanii может иметь диаметр от 1 до 3 микрометров. [7] Они плеоморфны и обычно по мере старения культуры переходят от подвижных, удлиненных палочковидных форм к стационарным, образующим биопленку дискообразным формам. [8] Кроме того, биопленки, генерируемые H. volcanii, способны быстро образовывать соты при воздействии изменений влажности. [9] Мембраны этого организма состоят из типичных эфир-связанных мембранных липидов, встречающихся только у архей, а также содержат высокий уровень каротиноидов, включая ликопин, который придает им характерный красный цвет.

H. volcanii использует соль для поддержания осмостаза, а не типичный метод совместимых растворенных веществ, наблюдаемый у бактерий. Этот метод предполагает поддержание высокого уровня ионов калия в клетке, чтобы сбалансировать ионы натрия снаружи. По этой причине H. volcanii имеет сложную систему ионной регуляции.

H. volcanii оптимально растет при температуре 42 °С в 1,5-2,5 М NaCl и сложной питательной среде. Он по-прежнему будет расти при 37 °C, но ему по-прежнему требуется концентрированный NaCl и комплексная среда. [4]

Благодаря соли в методе цитоплазматические белки структурируются так, чтобы сворачиваться в присутствии высоких концентраций ионов. По существу, они обычно имеют большое количество заряженных остатков на внешней части белка и очень гидрофобные остатки, образующие ядро. Эта структура значительно повышает их стабильность в соленой и даже высокотемпературной среде, но приводит к некоторой потере процессивности по сравнению с бактериальными гомологами.

H. volcanii дышит как единственный источник АТФ, в отличие от некоторых других галобатерий, таких как Halobacterium salinarum, они не способны к фотофосфорилированию , поскольку им не хватает необходимого бактериородопсина .

Экология

Изоляты H. volcanii обычно встречаются в водной среде с высокой соленостью, например, в Мертвом море. Их точная роль в экосистеме неясна, но углеводы, содержащиеся в этих организмах, потенциально служат многим практическим целям. Благодаря своей способности поддерживать гомеостаз, несмотря на окружающую соль, H. volcanii может сыграть важную роль в развитии биотехнологий. Поскольку вполне вероятно, что H. volcanii и аналогичные виды относятся к числу самых ранних живых организмов, они также предоставляют информацию, связанную с генетикой и эволюцией. [10]

Мертвое море

Мертвое море содержит очень высокую концентрацию солей натрия, магния и кальция. Такое 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 имеет наибольшее численное присутствие в сообществе. [12] Летом обычно наблюдается большее количество галофилов, поскольку Мертвое море намного теплее, в среднем около 37 градусов по Цельсию, и, следовательно, больше способствует цветению бактерий. [13] К сожалению, Мертвое море становится менее гостеприимным для экстремофилов, таких как H. volcanii, из-за увеличения солености, вызванного как природными факторами, так и деятельностью человека. Поскольку Haloferax volcanii является преобладающей средой обитания , изменение солености подвергает этот вид риску.

Повреждение и восстановление ДНК

У прокариот геном ДНК организован в динамическую структуру — нуклеоид, встроенный в цитоплазму. Воздействие на Haloferax volcanii стрессов, повреждающих ДНК, вызывает уплотнение и реорганизацию нуклеоида. [14] Уплотнение зависит от белкового комплекса Mre11-Rad50, который используется в гомологичной рекомбинационной репарации двухцепочечных разрывов ДНК. Дельмас и др. [14] предположили, что уплотнение нуклеоида является частью реакции на повреждение ДНК, которая ускоряет восстановление клеток, помогая белкам репарации ДНК локализовать мишени и облегчая поиск неповрежденных последовательностей ДНК во время гомологичной рекомбинации.

Генетический обмен

Было показано, что H. volcanii может подвергаться процессу генетического обмена путем смешивания клеток на твердой нитроцеллюлозной мембране. Процесс трансдукции и трансформации был исключен, оставив конъюгацию в качестве потенциального механизма передачи. Считается, что этот механизм отличается от других известных форм, поскольку генетический обмен не кажется однонаправленным, как в классических формах конъюгации других прокариотических систем. [15]

Необходим длительный контакт между клетками, поскольку клетки, выращенные в жидких средах, при перемешивании не обнаруживают генетического переноса. [15] Эксперименты с электронной микроскопией позволили получить изображения клеток H. volcanii , прикрепленных друг к другу через множество цитоплазматических мостоподобных структур [16] , и считается, что это очевидный метод генетического обмена. Белковый механизм, непосредственно участвующий в формировании этих мостов и переносе ДНК, еще предстоит открыть, хотя исследование, публикующее данные RNAseq, намекает на участие в этом различных белков. [17] Другие также показали, что изменение концентрации солей в окружающей среде, [18] глобальное гликозилирование, [18] и липидация клеточной поверхности [19] изменяют скорость генетического переноса.

Было показано, что эта система конъюгации ДНК архей даже работает 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 выбрана необходимость рекомбинации обменивающихся хромосом, рекомбинация не требуется для выживания обменивающихся клеток. Это может привести к образованию гибридных клеток, содержащих две разные хромосомы. [20]

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

Астробиология

Условия существования Haloferax volcanii (высокая соленость и высокая радиация) очень похожи на условия, наблюдаемые на поверхности Марса. Следовательно, этот организм в настоящее время используется для проверки выживаемости местных экстремофилов на Марсе. Достижения в этой области могут привести к лучшему пониманию возможности и сроков внеземной жизни. [22]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "LPSN - Список названий прокариот, имеющих место в номенклатуре" . Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen . Проверено 14 июля 2022 г.
  2. ^ Орен, А. «Отряд Halobacteriales». Прокариоты: Справочник по биологии бактерий. 3-е изд. Нью-Йорк: Спрингер. 2006. стр. 113–164.
  3. ^ Заиглер А., Шустер С.С. и Соппа Дж. «Создание и использование микроматрицы ДНК с однократным покрытием для характеристики метаболизма археи Haloferax volcanii ». Молекулярная микробиология. 2003. Том 48, выпуск 4, стр. 1089–1105.
  4. ^ ab «Шлюз браузера генома UCSC». archaea.ucsc.edu . Проверено 20 апреля 2017 г.
  5. ^ Хартман, Алабама; Норайс, К; Бэджер, Дж. Х.; Дельмас, С; Холденби, С; Мадупу, Р; Робинсон, Дж; Хури, Х; Рен, Кью; Лоу, ТМ; Мопен-Ферлоу, Дж; Польшредер, М; Дэниелс, К; Пфайффер, Ф; Аллерс, Т; Эйзен, Дж. А. (2010). «Полная последовательность генома Haloferax volcanii DS2, модельного архея». ПЛОС ОДИН . 5 (3): е9605. Бибкод : 2010PLoSO...5.9605H. дои : 10.1371/journal.pone.0009605 . ПМК 2841640 . ПМИД  20333302. 
  6. ^ Даггин И., Эйлетт К., Уолш Дж. и др. Тубулиноподобные белки CetZ контролируют форму клеток архей. Природа 519, 362–365 (2015). https://doi.org/10.1038/nature13983
  7. ^ Гаррити, Г.М., Кастенхольц, Р.В., и Бун, Д.Р. (ред.) Руководство Берджи по системной бактериологии, Том первый: Археи, глубоко ветвящиеся и фототрофные бактерии. 2-е изд. Нью-Йорк: Спрингер. 2001. с. 316.
  8. ^ Уолш Дж.К., Ангстманн CN, Биссон-Фильо AW, Гарнер EC, Даггин И.Г., Курми PMG. Расположение плоскости деления у плеоморфных архей динамически связано с формой клеток. Мол Микробиол. Сентябрь 2019 г.; 112 (3): 785–799. дои: 10.1111/mmi.14316. Epub, 11 июня 2019 г. PMID 31136034; PMCID: PMC6736733.
  9. ^ Шиллер, Хизер, Стефан Шульце, Зуха Мутан, Шарлотта де Во, Каталина Ранси, Джессика Шварц, Теопи Радос, Александр В. Биссон Фильо и Мехтильд Польшредер. « Погруженные в жидкость биопленки Haloferax Volcanii развиваются независимо от известных механизмов биопленки и демонстрируют быстрое формирование сотовой структуры». BioRxiv, 1 января 2020 г., 18.07.2020.206797. https://doi.org/10.1101/2020.07.18.206797.
  10. ^ См. веб-страницу NCBI о Галофераксе. Данные извлечены из «Ресурсов таксономии NCBI». Национальный центр биотехнологической информации . Проверено 19 марта 2007 г.
  11. ^ Орен, А. «Динамика численности галобактерий в толще воды Мертвого моря». Лимнология и океанография. 1983. Том 28, выпуск 6, стр. 1094–1103.
  12. ^ МУЛЛАКИАНБИИАЙ, М.Ф. И Х. ЛАРСЕН. 1975. Halobacterium volcanii spec. nov., галобактерия Мертвого моря с умеренной потребностью в соли. Арх. Микробиол. 104: 207-214.
  13. ^ НЕЕВ, Д., АНИ) К. 0. ЭМЕРИ. 1967. Мертвое море - Процессы осадконакопления и среда эвапоритов. Государство Израиль-Мин. Разв.-Гкол. Выж. Бык. 41.
  14. ^ аб Дельмас, С; Даггин, И.Г.; Аллерс, Т. (2013). «Повреждение ДНК вызывает уплотнение нуклеоида посредством комплекса Mre11-Rad50 у археи Haloferax volcanii». Мол Микробиол . 87 (1): 168–79. дои : 10.1111/mmi.12091. ПМЦ 3565448 . ПМИД  23145964. 
  15. ^ аб Меварех, М; Верчбергер, Р. (апрель 1985 г.). «Генетический перенос в Halobacterium volcanii». Журнал бактериологии . 162 (1): 461–462. дои : 10.1128/jb.162.1.461-462.1985. ISSN  0021-9193. ПМК 219016 . ПМИД  3980444. 
  16. ^ Розеншин, И.; Челет, Р.; Меварех, М. (22 сентября 1989 г.). «Механизм переноса ДНК в системе спаривания архебактерии». Наука . 245 (4924): 1387–1389. Бибкод : 1989Sci...245.1387R. дои : 10.1126/science.2818746. ISSN  0036-8075. ПМИД  2818746.
  17. ^ Маккей, Андреа М.; Луякис, Артемис С.; Рам-Мохан, Нихил; Гофна, Ури; Гогартен, Дж. Питер; Папке, Р. Тейн (18 декабря 2020 г.). «Понимание того, как экспрессия генов меняется в условиях, которые способствуют горизонтальному переносу генов (спариванию) модельного архея». Научные отчеты . 10 (1): 22297. Бибкод : 2020NatSR..1022297M. doi : 10.1038/s41598-020-79296-w. ISSN  2045-2322. ПМЦ 7749143 . ПМИД  33339886. 
  18. ^ Аб Шалев, Ярден; Тургеман-Гротт, Израиль; Тамир, Ади; Эйхлер, Джерри; Гофна, Ури (2017). «Гликозилирование клеточной поверхности необходимо для эффективного спаривания Haloferax volcanii». Границы микробиологии . 8 : 1253. дои : 10.3389/fmicb.2017.01253 . ISSN  1664-302X. ПМЦ 5496957 . ПМИД  28725221. 
  19. ^ Абдул Халим, Мохд Фарид; Пфайффер, Фридхельм; Цзоу, Джеймс; Фриш, Эндрю; Хафт, Дэниел; Ву, Си; Толич, Никола; Брюэр, Хизер; Пейн, Сэмюэл Х.; Паша-Толич, Лиляна; Польшредер, Мехтильд (июнь 2013 г.). «Археосортаза Haloferax volcanii необходима для подвижности, спаривания и C-концевого процессинга гликопротеина S-слоя». Молекулярная микробиология . 88 (6): 1164–1175. дои : 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): 1444–1448. дои : 10.1016/j.cub.2012.05.056 . ISSN  1879-0445. PMID  22748314. S2CID  12634287.
  21. ^ Тургеман-Гротт, Израиль; Джозеф, Ширли; Мартон, Сэм; Эйзенштейн, Ким; Наор, Адит; Суси, Шеннон М.; Стахлер, Арис-Эдда; Шалев, Ярден; Заркор, Мор; Решеф, Лия; Альтман-Прайс, Нета; Марчфельдер, Анита; Гофна, Ури (январь 2019 г.). «Повсеместное приобретение памяти CRISPR, вызванное межвидовым спариванием архей, может ограничить перенос генов и повлиять на видообразование». Природная микробиология . 4 (1): 177–186. дои : 10.1038/s41564-018-0302-8. ISSN  2058-5276. ПМК 6298592 . ПМИД  30478289. 
  22. ^ ДасСарма, С. «Экстремальные галофилы - модели для астробиологии». Журнал Микроб. 2006. Том 1, № 3, стр. 120-126.

дальнейшее чтение

Научные книги

Внешние ссылки