Thermus aquaticus — вид бактерий , способных переносить высокие температуры, одна из нескольких термофильных бактерий, принадлежащих к типу Deinococcota . Является источником термостойкого фермента Taq DNA polymerase , одного из важнейших ферментов в молекулярной биологии из-за его использования в методе амплификации ДНК полимеразной цепной реакции (ПЦР).
Когда в 1960-х годах начались исследования биологических организмов в горячих источниках, ученые считали, что жизнь термофильных бактерий не может поддерживаться при температуре выше 55 °C (131 °F). [1] Однако вскоре было обнаружено, что многие бактерии в разных источниках не только выживают, но и процветают при более высоких температурах. В 1969 году Томас Д. Брок и Хадсон Фриз из Университета Индианы сообщили о новом виде термофильных бактерий , который они назвали Thermus aquaticus . [2] Бактерия была впервые выделена из источника Mushroom Spring в Нижнем бассейне гейзеров Йеллоустонского национального парка , который находится недалеко от крупных гейзеров Грейт-Фаунтин и Уайт-Доум , [3] и с тех пор была обнаружена в подобных термальных местообитаниях по всему миру. Спустя десятилетия это открытие имело глубокие последствия, включая изобретение биохимиком Кэри Маллисом полимеразной цепной реакции (ПЦР) , которая произвела революцию в исследованиях ДНК и принесла Маллису Нобелевскую премию по химии в 1993 году. ПЦР способствовала прогрессу в медицинской диагностике, генетике и других областях. После открытия ПЦР Кэри Маллисом компания Cetus наградила его 10 000 долларов. Однако позже Cetus продала патент на ПЦР компании F. Hoffmann-La Roche (Roche) за 300 миллионов долларов. Эта сделка оставила Маллиса с чувством обмана на всю жизнь. С тех пор Roche получила огромную прибыль от патента на ПЦР, а годовые продажи, связанные с ПЦР, достигли 5,4 миллиарда долларов в 2022 году. Несмотря на эту прибыль, ни Служба национальных парков, ни Йеллоустонский национальный парк, ни штат Вайоминг не получили никакой доли этих доходов. Осознавая научный и финансовый потенциал экстремофилов Йеллоустона, биотехнологические компании, такие как Diversa, подписали соглашения со Службой национальных парков о биоразведке. Это привело к дальнейшему научному исследованию и потенциальному коммерческому применению, несмотря на некоторые экологические проблемы. В целом, первоначальное открытие Брока в горячих источниках Йеллоустона проложило путь к значительным научным прорывам, продемонстрировав важность фундаментальных исследований в продвижении инноваций и технологических достижений. [4]
T. aquaticus лучше всего растет при температуре 65–70 °C (149–158 °F), но может выживать при температуре 50–80 °C (122–176 °F). В первую очередь он поглощает белок из окружающей среды, о чем свидетельствует большое количество внеклеточных и внутриклеточных протеаз и пептидаз, а также транспортных белков для аминокислот и олигопептидов через клеточную мембрану. Эта бактерия является хемотрофом — она осуществляет хемосинтез для получения пищи. Однако, поскольку ее температурный диапазон несколько совпадает с диапазоном фотосинтетических цианобактерий , которые разделяют ее идеальную среду, ее иногда можно обнаружить живущей совместно со своими соседями, получая энергию для роста из их фотосинтеза . T. aquaticus обычно дышит аэробно, но один из ее штаммов, Thermus aquaticus Y51MC23, может выращиваться анаэробно. [5]
Генетический материал T. aquaticus состоит из одной хромосомы и четырех плазмид , а его полное секвенирование генома выявило гены CRISPR в многочисленных локусах. [6]
Thermus aquaticus обычно имеет цилиндрическую форму с диаметром от 0,5 мкм до 0,8 мкм. Более короткая стержневая форма имеет длину от 5 мкм до 10 мкм. Более длинная нитевидная форма имеет длину, которая сильно варьируется и в некоторых случаях превышает 200 мкм. T. aquaticus показал несколько возможных морфологий в разных культурах, в форме палочек или в виде коротких нитей. Палочкообразные бактерии имеют тенденцию к агрегации. Ассоциации нескольких особей могут привести к образованию сферических тел диаметром от 10 мкм до 20 мкм, также называемых круглыми телами. [2] [7] Эти тела не состоят из клеточной оболочки или компонентов внешней мембраны, как считалось ранее, а вместо этого сделаны из ремоделированной пептидогликановой клеточной стенки. Их точная функция в выживании T. aquaticus остается неизвестной, но предполагается, что они включают временное хранение пищи и нуклеотидов, или они могут играть роль в прикреплении и организации колоний. [6] Thermus aquaticus — типичная грамотрицательная бактерия, что указывает на то, что ее клеточные стенки содержат значительно меньше пептидогликана по сравнению с грамположительными аналогами. При наличии солнечного света Thermus может демонстрировать оттенки от желтого до розового или красного, которые видны в горячих источниках. Кроме того, Thermus aquaticus может обладать жгутиками для подвижности или оставаться неподвижным.
T. aquaticus стал известен как источник термостабильных ферментов, в частности ДНК-полимеразы Taq , как описано ниже.
Исследования этой экстремально термофильной бактерии, которую можно было выращивать в клеточной культуре, изначально были сосредоточены на попытках понять, как ферменты , которые обычно неактивны при высокой температуре, могут функционировать при высокой температуре в термофилах . В 1970 году Фриз и Брок опубликовали статью, описывающую термостабильный фермент альдолазу из T. aquaticus . [8]
Первый фермент полимеразы, выделенный из T. aquaticus в 1974 году, представлял собой ДНК-зависимую РНК-полимеразу [9] , используемую в процессе транскрипции .
Большинство молекулярных биологов, вероятно, узнали о T. aquaticus в конце 1970-х или начале 1980-х годов из-за выделения из этого организма полезных эндонуклеаз рестрикции . [10] Использование термина Taq для обозначения T. aquaticus возникло в то время из-за традиции давать ферментам рестрикции короткие названия, такие как Sal и Hin, полученные от рода и вида исходных организмов.
ДНК-полимераза была впервые выделена из T. aquaticus в 1976 году. [11] Первым преимуществом, обнаруженным для этой термостабильной (температурный оптимум 72 °C, не денатурирует даже при 95 °C) ДНК-полимеразы, было то, что ее можно было выделить в более чистой форме (без других загрязняющих ферментов), чем ДНК-полимеразу из других источников. Позже Кэри Маллис и другие исследователи из Cetus Corporation обнаружили, что этот фермент можно использовать в процессе полимеразной цепной реакции (ПЦР) для амплификации коротких сегментов ДНК , [12] устраняя необходимость добавлять ферменты полимеразы E. coli после каждого цикла термической денатурации ДНК. Фермент также был клонирован , секвенирован , модифицирован (для получения более короткого «фрагмента Стоффеля») и произведен в больших количествах для коммерческой продажи. [13] В 1989 году журнал Science назвал Taq-полимеразу своей первой «Молекулой года». [14] В 1993 году Маллис был удостоен Нобелевской премии по химии за свою работу с ПЦР. [15]
Высокая оптимальная температура для T. aquaticus позволяет исследователям изучать реакции в условиях, при которых другие ферменты теряют активность. Другие ферменты, выделенные из этого организма, включают ДНК-лигазу , щелочную фосфатазу , НАДН-оксидазу , изоцитратдегидрогеназу , амиломальтазу и фруктозо-1,6-дифосфат-зависимую L-лактатдегидрогеназу .
Коммерческое использование ферментов T. aquaticus не обошлось без споров. После исследований Брока образцы организма были помещены в Американскую коллекцию типовых культур , публичное хранилище. Другие ученые, включая ученых Cetus, получили их оттуда. Когда коммерческий потенциал полимеразы Taq стал очевиден в 1990-х годах, [16] Служба национальных парков назвала ее использование «Великим грабежом Taq ». [17] Исследователи, работающие в национальных парках, теперь обязаны подписывать соглашения о «совместном использовании выгод», которые будут отправлять часть более поздних прибылей обратно в Службу парков.