Deinococcus radiodurans

Deinococcus radiodurans
vědecká klasifikace
Doména:bakterieTyp:Deinococcus-ThermusTřída:Deinococci Garrity a Holt 2002Objednat:DeinococcalesRodina:DeinococcaceaeRod:DeinokokPohled:Deinococcus radiodurans
Mezinárodní vědecký název
Deinococcus radiodurans ( ex Raj a kol. 1960) Brooks a Murray 1981

Deinococcus radiodurans  (lat.)  - Gram -pozitivní , extremofilní kokus rodu Deinococcus . Je to jedna z nejodolnějších bakterií vůči působení ionizujícího záření [1] . Poprvé byl izolován z masových konzerv vystavených gama záření za účelem studia možnosti sterilizace [2] . Popsán v roce 1960 pod názvem Micrococcus radiodurans [3] , v roce 1981převeden do nově vytvořeného rodu Deinococcus [4] . Vyvíjejí se použití pro Deinococcus radioduranspři biologickém čištění radioaktivních odpadních vod.

Biologické vlastnosti

Morfologie

Barví se pozitivně podle Gramovy metody (ačkoli buněčná stěna má strukturu typickou pro gramnegativní bakterie [5] [6] ), nepohyblivý kokus o průměru 1,5–3,5 μm. Na mikropreparacích jsou umístěny dvě nebo častěji čtyři buňky, které tvoří tetrády. Nevytváří tobolky a spory . Tvoří červený pigment [7] .

Kulturní vlastnosti

Chemoorganoheterotrof, obligátní aerobní . Roste na jednoduchých živných půdách. Na agarových živných půdách tvoří hladké, konvexní kolonie od růžové po červenou [7] . Kmeny D. radiodurans byly izolovány ze široké škály substrátů, od sloního trusu a půdy po arktické balvany a pouštní písky [8] [9] , takže nelze hovořit o nějakém konkrétním prostředí pro tento mikroorganismus [10] .

Genom

Jedinečným rysem genomu D. radiodurans je to, že každá kruhová molekula DNA genomu je zastoupena v několika kopiích a tvoří spolu propletené kruhy, přičemž každý kruh obsahuje několik kopií jedné molekuly DNA. Další unikátní vlastností D. radiodurans je přítomnost RNA ligáz schopných zesíťovat molekuly RNA v hybridním komplexu RNA-DNA [11] [12] . Genom D. radiodurans kmene R1 je reprezentován čtyřmi molekulami DNA: dvěma chromozomy a dvěma plazmidy  , megaplazmidem a malým plazmidem [13] . Je také známo, že několik plazmidů ovlivňuje rezistenci k lysozymu a přípustnou teplotu růstu [14] . Mikroorganismus má přirozenou schopnost transformovat cizí DNA [15] . Genom D. radiodurans je velmi blízký genomu Thermus aquaticus a srovnání genomů ukazuje odlišné cesty k adaptaci na termofilitu a radiační toleranci [16] [17] .

Odolnost vůči ionizujícímu záření

D. radiodurans je široce známý pro svou vysokou odolnost vůči radiaci , je jedním z nejodolnějších organismů na světě - D. radiodurans je schopen přežít v dávce až 10 000 Gy (pro člověka smrtelná dávka záření je 5 Gy, pro Escherichia coli  - 2000 Gy) . Vysoká odolnost vůči působení ionizujícího záření pravděpodobně vznikla v důsledku vzniku rezistence vůči vysychání, neboť mechanismy poškození DNA a následně i odolnosti vůči záření a desikaci jsou podobné [18] , navíc D. radiodurans syntetizuje takzvaný. LEA proteiny , které zabraňují agregaci proteinů během sušení [19] .

Po dlouhou dobu nebyla tato úroveň odolnosti vůči záření dobře pochopena. Nyní je známo, že D. radiodurans uchovává několik kopií genomu v buňce , zabalených ve formě torusu nebo prstenců [20] ; další kopie genomu umožňují přesně obnovit genom po četných jedno- a dvojitých -přetržení pramenů. Bylo také prokázáno, že alespoň dvě kopie genomu během masivních dvouřetězcových zlomů tvoří kompletní genom po opětovné asociaci vytvořených fragmentů DNA, poté jsou poškozené oblasti resyntetizovány z homologních intaktních sekvencí s vytvořením D-smyčky , po které dochází k rekombinaci mezi homologními sekvencemi homologní rekombinací závislou na RecA. RecA D. radiodurans funguje způsobem, který je přímo opačný než v buňkách E. coli ; možná i to je jeden z důvodů mimořádné účinnosti opravného systému D. radiodurans [21] . Určitou roli v odolnosti vůči záření hraje i přítomnost speciálního proteinu, který se váže na jednovláknovou DNA a pravděpodobně hraje roli v replikaci poškozené DNA [22] , Radiorezistence je ovlivněna i syntézou proteinu DdrA, který zajišťuje integritu genomu [23] . Protein IrrE, regulátor exprese genu recA , také ovlivňuje úroveň odolnosti vůči záření [24] . Mikroorganismus má ribonukleoproteiny , které mají také vliv na odolnost bakterií vůči ultrafialovému záření [25] . K ochraně před oxidačním stresem, který doprovází působení ionizujícího záření, používá D. radiodurans speciální enzym thioredoxin reduktázu [26] a také syntetizuje superoxiddismutázu [27] .

Je známo, že několik bakterií je srovnatelných s D. radiodurans v odolnosti vůči záření, včetně některých druhů Chroococcidiopsis ( cyanobacteria ) a Rubrobacter ( aktinomycetes ); mezi archaea má podobné vlastnosti Thermococcus gammatolerans [28] .

Aplikace

Radiační odolnost D. radiodurans je unikátní, je také velmi odolný vůči nepříznivým podmínkám prostředí, díky čemuž je tento mikroorganismus vhodný pro biologické zpracování radioaktivních odpadů. Existují studie o použití D. radiodurans v biologickém čištění radioaktivní kontaminace, včetně těch, které obsahují rozpuštěné ionty rtuti [29] . V roce 2003 američtí vědci ukázali, že D. radiodurans by mohl být použit jako médium pro ukládání informací, které by mohlo přežít jaderný holocaust. Přeložili píseň „ It's a Small World “ do série segmentů DNA o  velikosti 150 bp, vložili je do bakterií a byli schopni je bezchybně produkovat o 100 bakteriálních generací později [30] .

Poznámky

  1. ↑ Rainey FA , Ray K. , Ferreira M. , Gatz BZ , Nobre MF , Bagaley D. , Rash BA , Park MJ , Earl AM , Shank NC , Small AM , Henk MC , Battista JR , Kämpfer P. , da Costa MS Rozsáhlá rozmanitost bakterií odolných vůči ionizujícímu záření získané z půdy Sonorské pouště a popis devíti nových druhů rodu Deinococcus získaných z jediného vzorku půdy.  (anglicky)  // Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. - 2005. - Sv. 71, č.p. 9 . - S. 5225-5235. - doi : 10.1128/AEM.71.9.5225-5235.2005 . — PMID 16151108 .
  2. ↑ Anderson AW, Nordan HC, Cain RF, Parrish G., Duggan D. Studie na radiorezistentním mikrokoku. I. Izolace, morfologie, kulturní charakteristiky a odolnost vůči gama záření // Food Technol. - 1956. - č. 10 . - S. 575-577.
  3. ↑ Raj HD , Duryee FL , Deeney AM , Wang CH , Anderson AW , Elliker PR Využití sacharidů a aminokyselin Micrococcus radiodurans  //  Canadian journal of microbiology. - 1960. - Sv. 6. - S. 289-298. — PMID 14435920 .
  4. ↑ BW Brooks, RGE Murray. Nomenklatura pro „Micrococcus radiodurans“ a jiné koky odolné vůči záření: Deinococcaceae fam. listopad. a Deinococcus gen. listopadu, včetně pěti druhů . - 1981. - Sv. 31, č. 3 . - S. 353-360. - doi : 10.1099/00207713-31-3-353 .  (nedostupný odkaz)
  5. ↑ Embley, T.M., A.G. O'Donnell, R. Wait, J. Rostron. Složení aminokyselin a lipidů v buněčné stěně v klasifikaci členů rodu Deinococcus. // Syst. Appl. Microbiol.. - 1987. - č. 10 . - S. 20-27.
  6. ↑ Thornley MJ , Horne RW , Glauert AM Jemná struktura Micrococcus radiodurans.  (anglicky)  // Archiv fur Mikrobiologie. - 1965. - Sv. 51, č.p. 3 . - S. 267-289. — PMID 5882498 .
  7. ↑ 12 Tim Lottman . "Deinococcus radiodurans" (nedostupný odkaz) . Získáno 28. prosince 2014. Archivováno z originálu dne 26. března 2009. 
  8. ↑ Ito H., Iizuka H., Takehisa M., Watanabe H. Izolace a identifikace radiačně odolných koků patřících do rodu Deinococcus z čistírenských kalů a krmiv pro zvířata. // Agric Biol Chem.. - 1983. - č. 47 . - S. 1239-1247.
  9. ↑ Krabbenhoft KL , Anderson AW , Elliker P. R. Ekologie Micrococcus radiodurans.  (anglicky)  // Aplikovaná mikrobiologie. - 1965. - Sv. 13, č. 6 . - S. 1030-1037. — PMID 5866032 .
  10. ↑ Chan WF , O'Toole DK Izolace druhů Deinococcus z komerčního extraktu z ústřice.  (anglicky)  // Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. - 1999. - Sv. 65, č.p. 2 . - S. 846-848. — PMID 9925627 .
  11. ↑ Martins A. , Shuman S. RNA ligáza z Deinococcus radiodurans.  (anglicky)  // The Journal of biologické chemie. - 2004. - Sv. 279, č.p. 49 . - S. 50654-50661. - doi : 10.1074/jbc.M407657200 . — PMID 15333634 .
  12. ↑ Raymond A. , Shuman S. Deinococcus radiodurans RNA ligáza je příkladem nového ligázového kladu s výrazným N-terminálním modulem, který je důležitý pro utěsnění 5'-PO4 nick a adenylaci ligázy, ale postradatelný pro tvorbu fosfodiesterů na adenylovaném zářezu.  (anglicky)  // Výzkum nukleových kyselin. - 2007. - Sv. 35, č. 3 . - S. 839-849. doi : 10.1093 / nar/gkl1090 . — PMID 17204483 .
  13. ↑ White O. , Eisen JA , Heidelberg JF , Hickey EK , Peterson JD , Dodson RJ , Haft DH , Gwinn ML , Nelson WC , Richardson DL , Moffat KS , Qin H. , Jiang L. , Pamphile M. , Crosby , Shen M. , Vamathevan JJ , Lam P. , McDonald L. , Utterback T. , Zalewski C. , Makarova KS , Aravind L. , Daly MJ , Minton KW , Fleischmann RD , Ketchum KA , Nelson KE , Salzberg S. Smith HO , Venter JC , Fraser CM Sekvence genomu radiorezistentní bakterie Deinococcus radiodurans R1.  (anglicky)  // Věda (New York, NY). - 1999. - Sv. 286, č.p. 5444 . - S. 1571-1577. — PMID 10567266 .
  14. ↑ Kikuchi M. , Kitayama S. , Sjarief SH , Watanabe H. Plazmidy v několika kmenech Deinococcus radiodurans.  (anglicky)  // Radiační výzkum. - 1994. - Sv. 139, č.p. 1 . - S. 123-125. — PMID 8016301 .
  15. ↑ BEB MOSELEY, JANE K. SETLOW. Transformace u Micrococcus radiodurans a ultrafialová citlivost jeho transformující DNA. . - 1968. - Sv. 61, č. 1 . - S. 176-183.
  16. ↑ Omelchenko MV , Wolf YI , Gaidamakova EK , Matrosova VY , Vasilenko A. , Zhai M. , Daly MJ , Koonin EV , Makarova KS Srovnávací genomika Thermus thermophilus a Deinococcus radiodurans: divergentní cesty adaptační rezistence na termofilii a radiaci.  (anglicky)  // Evoluční biologie BMC. - 2005. - Sv. 5. - S. 57. - doi : 10.1186/1471-2148-5-57 . — PMID 16242020 .
  17. ↑ Makarova KS , Aravind L. , Wolf YI , Tatusov RL , Minton KW , Koonin EV , Daly MJ Genom extrémně radiačně odolné bakterie Deinococcus radiodurans nahlíženo z pohledu komparativní genomiky.  (anglicky)  // Recenze mikrobiologie a molekulární biologie : MMBR. - 2001. - Sv. 65, č.p. 1 . - S. 44-79. - doi : 10.1128/MMBR.65.1.44-79.2001 . — PMID 11238985 .
  18. ↑ Mattimore V. , Battista JR Radiorezistence Deinococcus radiodurans: funkce nezbytné k přežití ionizujícího záření jsou také nezbytné k přežití zkušeného vysychání.  (anglicky)  // Journal of bacteriology. - 1996. - Sv. 178, č.p. 3 . - S. 633-637. — PMID 8550493 .
  19. ↑ Goyal K. , Walton LJ , Tunnacliffe A. Proteiny LEA zabraňují agregaci bílkovin v důsledku vodního stresu.  (anglicky)  // The Biochemical journal. - 2005. - Sv. 388, č.p. Pt 1 . - S. 151-157. - doi : 10.1042/BJ20041931 . — PMID 15631617 .
  20. ↑ Levin-Zaidman S. , Englander J. , Shimoni E. , Sharma AK , Minton KW , Minsky A. Prstencová struktura genomu Deinococcus radiodurans: klíč k radiorezistenci?  (anglicky)  // Věda (New York, NY). - 2003. - Sv. 299, č.p. 5604 . - S. 254-256. - doi : 10.1126/science.1077865 . — PMID 12522252 .
  21. ↑ Kim JI , Cox MM Proteiny RecA z Deinococcus radiodurans a Escherichia coli podporují výměnu řetězce DNA inverzními cestami.  (anglicky)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2002. - Sv. 99, č.p. 12 . - S. 7917-7921. - doi : 10.1073/pnas.122218499 . — PMID 12048253 .
  22. ↑ Bernstein DA , Eggington JM , Killoran MP , Misic AM , Cox MM , Keck JL Krystalová struktura jednovláknového proteinu vázajícího DNA Deinococcus radiodurans naznačuje mechanismus, jak se vyrovnat s poškozením DNA.  (anglicky)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2004. - Sv. 101, č.p. 23 . - S. 8575-8580. - doi : 10.1073/pnas.0401331101 . — PMID 15159541 .
  23. ↑ Harris DR , Tanaka M. , Saveliev SV , Jolivet E. , Earl AM , Cox MM , Battista JR Zachování integrity genomu: protein DdrA z Deinococcus radiodurans R1.  (anglicky)  // Public Library of Science Biology. - 2004. - Sv. 2, č. 10 . — P. e304. - doi : 10.1371/journal.pbio.0020304 . — PMID 15361932 .
  24. ↑ Earl AM , Mohundro MM , Mian IS , Battista JR Protein IrrE z Deinococcus radiodurans R1 je novým regulátorem exprese recA.  (anglicky)  // Journal of bacteriology. - 2002. - Sv. 184, č.p. 22 . - S. 6216-6224. — PMID 12399492 .
  25. ↑ Chen X. , Quinn AM , Wolin SL Ro ribonukleoproteiny přispívají k odolnosti Deinococcus radiodurans vůči ultrafialovému záření.  (anglicky)  // Genes & development. - 2000. - Sv. 14, č. 7 . - S. 777-782. — PMID 10766734 .
  26. ↑ Obiero J. , Bonderoff SA , Goertzen MM , Sanders DA Exprese, čištění, krystalizace a předběžné rentgenové krystalografické studie thioredoxin reduktázy Deinococcus radiodurans.  (anglicky)  // Acta crystallographica. Sekce F, Strukturní biologie a krystalizační komunikace. - 2006. - Sv. 62, č.p. Pt 8 . - S. 757-760. - doi : 10.1107/S1744309106024845 . — PMID 16880549 .
  27. ↑ Meng L. , Xu X. , Wang DL , Zhan L. , Pei XF Klonování a exprese genu superoxiddismutázy z Deinococcus radiodurans v E. coli  (čínština)  // Sichuan da xue xue bao. Yi xue ban = Journal of Sichuan University. edice lékařské vědy. - 2005. - Sv. 36, 2 数. - S. 200-203. — PMID 15807266 .
  28. ↑ Cox MM , Battista JR Deinococcus radiodurans - dokonalý přeživší.  (anglicky)  // Recenze přírody. mikrobiologie. - 2005. - Sv. 3, č. 11 . - S. 882-892. - doi : 10.1038/nrmicro1264 . — PMID 16261171 .
  29. ↑ Brim H. , McFarlan SC , Fredrickson JK , Minton KW , Zhai M. , Wackett LP , Daly MJ Engineering Deinococcus radiodurans pro sanaci kovů v prostředích s radioaktivním směsným odpadem.  (anglicky)  // Přírodní biotechnologie. - 2000. - Sv. 18, č. 1 . - S. 85-90. - doi : 10.1038/71986 . — PMID 10625398 .
  30. ↑ McDowell, Natasha . Data uložená v množících se bakteriích  (8. ledna 2003). Archivováno z originálu 7. října 2011. Staženo 1. dubna 2011.

Odkazy