Nanoarcheoti

Nanoarcheoti
vědecká klasifikace
Doména:ArchaeaTyp:Nanoarcheoti
Mezinárodní vědecký název
Nanoarchaeota Huber a kol. 2002
Systematika na Wikispecies Obrázky na Wikimedia Commons NCBI   192989 EOL   10554128

Nanoarchaeotes [1] ( lat.  Nanoarchaeota ) je druh archaea izolovaný v roce 2002. Po nějakou dobu byl jediným druhem zahrnutým do tohoto kmene Nanoarchaeum equitans . Jeho zástupci se mohou vyvíjet pouze ve společné kultuře s chemolithoautotrofními archaea jednoho z druhů rodu Ignicoccus , což je pro archaea unikátní jev. Obvykle je vztah dvou druhů archaea považován za symbiotický , ale existují také důkazy ve prospěch parazitismu Nanoarchaeum na Ignicoccus . V roce 2013 se objevila zpráva o objevu druhého druhu nanoarcheot - Nanobsidianus stetteri [2] .

Historie studia

V roce 2002 oznámili Karl Stetter , H. Huber a kolegové objev nového typu archaea ve vzorcích odebraných z horkých pramenů Středoatlantického hřbetu v hloubce asi 106 m. Ignicoccus zjistil, že buňky těchto sirných - redukující autotrofní archaea jsou obklopeny malými kokoidními buňkami. Sekvenování DNA izolované z těchto malých organismů potvrdilo, že patří do domény archaea a výjimečná jedinečnost genomu je přiměla k oddělení do samostatného kmene Nanoarchaeota [3] [4] .

Nový druh archaea byl pojmenován Nanoarchaeum equitans . Asi deset let byl N. equitans považován za jediného zástupce kmene Nanoarchaeota , nicméně v roce 2013 byl v Yellowstonském národním parku údajně nalezen další druh nanoarcheota . Zpočátku dostal nový organismus kódové jméno Nst1, později dostal binomen Nanobsidianus stetteri . Ukázalo se, že genom N. stetteri se v mnoha ohledech liší od genomu N. equitans , ačkoli tento druh byl podle výsledků fylogenetické analýzy zařazen do skupiny nanoarcheot [2] [5] [1] .

Distribuce

Od objevu Nanoarchaeota se nashromáždilo mnoho důkazů, že tyto archaea obývají různá stanoviště jiná než mořské hydrotermální průduchy . Během studia primerů pro 16S rRNA gen N. equitans se ukázalo, že tento druh je rozšířen v suchozemských horkých pramenech, stejně jako v mezofilních biotopech s vysokou salinitou. Sekvence genu rRNA N. equitans byly také nalezeny ve vzorcích vody z eufotické zóny , odebraných ve značné vzdálenosti od hydrotermálních průduchů. Nanoarcheoti tak mohou žít při různých teplotách a v geochemicky různorodém prostředí. Navzdory nedávnému objevu Nanobsidianus stetteri je Nanoarchaeum equitans stále jediným druhem nanoarcheota, který lze pěstovat v kultuře (společně s buňkami Ignicoccus ) [2] .

Morfologie

Buňky nanoarchea jsou trpasličí pravidelné koky o průměru 0,35 až 0,5 µm , někdy s jediným procesem. Buňky jsou pokryty proteinovou S vrstvou o tloušťce 15 nm  , je zde periplazmatický prostor . Objem buňky Nanoarchaeum je menší než 1 % objemu buňky Escherichia coli [6] .

Buňky Nanoarchaeum equitans lze fyzicky oddělit od buněk Ignicoccus hospitalis pomocí ultrafiltrace (velikost pórů filtru 0,45  µm ) nebo optické pinzety a také jemného ultrazvuku . Při pěstování v kokultuře je téměř polovina buněk I. hospitalis kolonizována N. equitans , přičemž ke každému z nich jsou připojeny alespoň dva trpasličí koky. V místě kontaktu mezi buňkami I. hospitalis a N. equitans nebyly nalezeny žádné speciální přichycovací struktury [6] .

Buňky Nanobsidianus stetteri nebyly dosud izolovány v čisté kultuře. Stejně jako buňky N. equitans nejsou schopny samostatné existence. Navrhovaným hostitelem N. stetteri je zvláštní skupina archaea v rámci řádu Sulfolobales (typ Crenarchaeota ) [5] , izolovaná jako Acidicryptum nanophilum [2] .

Metabolismus

Nanoarchaeum equitans  je hypertermofil , striktní anaerob , rostoucí pouze ve společné kultuře s Ignicoccus hopitalis . Optimální teplota pro oba organismy je 70-98°C. Doba generování N. equitans během růstu při 90 °C, pH 6,0 a průchodu 30 l/min plynů je asi 45 minut a na konci kultivace se hustota suspenze nanoarcheálních buněk 10x zvýší, zatímco hustota hostitelských buněk zůstává nezměněna. V pozdní fázi exponenciálního růstu se téměř 80 % nanoarcheálních buněk odděluje od buněk I. hospitalis a jsou ve formě volné suspenze. Je třeba poznamenat, že parametry růstu a lýzy buněk I. hospitalis v monokultuře a v kokultuře s N. equitans se neliší. Na základě toho je vztah mezi dvěma organismy považován za symbiotický [7] . Existují však také důkazy ve prospěch parazitické povahy vztahu mezi I. hospitalis a N. equitans : když se příliš mnoho buněk N. equitans přichytí na jednu buňku I. hospitalis , růst I. hospitalis je potlačen [8 ] .

Molekulární mechanismy, které zprostředkovávají komunikaci mezi buňkami I. hospitalis a N. equitans , jsou nejasné. Membrány obou organismů jsou tvořeny jednoduchými a téměř identickými (s drobnými rozdíly) lipidy [9] . Byla provedena analýza změny proteomu I. hospitalis při vytváření spojení s N. equitans . Ukázalo se, že po vytvoření kontaktu s N. equitans se v buňkách I. hospitalis zvýšila exprese několika klíčových proteinů zapojených do produkce energie ; zdá se, že je to způsobeno spotřebou energie N. equitans vyrobené I. hospitalis . To také vysvětluje zvýšení exprese klíčových metabolických enzymů a enzymů zapojených do řady biosyntetických procesů. Současně bylo v kokultivačních buňkách pozorováno snížené množství RNA polymerázy a klíčových transkripčních faktorů [10] .

Na rozdíl od svého hostitele I. hospitalis , který redukuje elementární síru vodíkem , genom N. equitans postrádá geny, které by mohly být zodpovědné za chemolitoautotrofní metabolismus. Kóduje však dva enzymy pro oxidativní deaminaci aminokyselin . Kromě toho má Nanoarchaeum několik proteinů, které mohou katalyzovat reakce přenosu elektronů , stejně jako pět podjednotek archaální ATP syntázy typu A 1 A 0 . Stále však není jasné, zda je N. equitans schopen sám extrahovat energii během oxidační fosforylace nebo zda ji přijímá od hostitele [8] .

N. equitans není schopen syntetizovat mnoho buněčných sloučenin: aminokyseliny, nukleotidy , kofaktory a lipidy. Postrádá enzymy glykolýzy a glukoneogeneze , cyklus trikarboxylových kyselin a popsané cesty asimilace uhlíku . Zřejmě transportuje většinu buněčných metabolitů z buněk I. hospitalis [8] .

Nanobsidianus také není schopen syntetizovat aminokyseliny, nukleotidy, kofaktory a lipidy, ale jeho genom obsahuje geny pro všechny enzymy glukoneogeneze a také enzymy zapojené do syntézy polysacharidů . Metabolismus sacharidů u Nanobsidianus zřejmě probíhá cestou klasické glykolýzy [5] .

Genom

Genom Nanoarchaeum equitans byl sekvenován a je reprezentován jedním kruhovým chromozomem o 490 885  párech bází . Celkový obsah GC v genomu N. equitans je 31,6 %. V genomu bylo identifikováno 552 kódujících sekvencí, jejichž délka nepřesahuje 827 párů bází. Nebyly nalezeny žádné extrachromozomální elementy. Genom N. equitans je jedním z nejmenších sekvenovaných genomů buněčných organismů, ale vyznačuje se velmi vysokou hustotou genů: kódující sekvence zabírají asi 95 % celého genomu, zatímco nekódující oblasti a pseudogeny prakticky chybí [11 ] . Genom tohoto druhu se také vyznačuje velkým počtem jedinečných sekvencí: pouze 18,3 % kódujících sekvencí s neznámou funkcí má homology v jiných organismech, zatímco zbytek se zdá být jedinečný pro N. equitans . Kromě toho geny 16S rRNA nesou mnoho substitucí i na vysoce konzervovaných místech, která se běžně používají jako cíle pro primery polymerázové řetězové reakce (PCR). Navzdory jedinečné primární struktuře má však sekundární struktura 16S rRNA rysy typické pro archaea. Jak bylo uvedeno výše, genom N. equitans postrádá mnoho esenciálních proteinů buněčného metabolismu; mohly být ztraceny v průběhu adaptace na hostitele. Má však obranný systém CRISPR typu IB , který je charakteristický pro hypertermofily [8] [5] [12] .

V genomu Nanoarchaeum equitans došlo ke ztrátě operonové organizace typické pro prokaryota a neobvykle velké množství genů je přítomno ve fragmentovaném stavu. Příkladem takového splitu je přítomnost dvou otevřených čtecích rámců kódujících domény alanyl-tRNA syntetázy a reverzní gyrázy [11] .

Fragmentace je také charakteristická pro geny tRNA z Nanoarchaeum equitans . Byl první, kdo popsal sestavení zralých molekul tRNA ze dvou samostatných polovin, což má za následek 6 izoakceptorových molekul tRNA. Genom této archaea kóduje 11 polovin tRNA. Molekuly odpovídající polovinám tRNA mají oblast bohatou na GC komplementární k sekvenci nacházející se pouze v odpovídající druhé polovině. Díky těmto sekvencím je usnadněn proces vzájemného hledání a poznávání podle odpovídajících polovin. Zralé tRNA se tvoří v neobvyklé trans- sestřihové reakci prováděné heteromerní sestřihovou endonukleázou [11] .

Nanoarchaeum equitans  je jediný známý organismus, který postrádá ribonukleázu P (RNáza P), všudypřítomný ribonukleoproteinový komplex, který odstraňuje 5' vedoucí místa z prekurzorů tRNA. Proto byly 5'-vedoucí sekvence v genech tRNA ztraceny v genomu tohoto archaea během genomických přestaveb [11] .

Nanoarchaeum equitans má četné malé RNA , mezi nimiž jsou nejpočetnější CRISPR RNA (crRNA), stejně jako malé RNA obsahující C/D box. Kromě toho byly popsány malé RNA obsahující H/ACA box [11] .

Složení GC Nanoarchaeum equitans je příliš nízké na to, aby udrželo strukturu dvouvláknové DNA při 90 °C (teplota, při které tato archaea žije). Proto při absenci speciálních mechanismů, které brání odvíjení při vysokých teplotách, musí být jeho genom „roztavená“ jednovláknová DNA . Možnými mechanismy, které udržují strukturu DNA, jsou histony a reverzní gyráza. U Nanoarchaeum equitans byly nalezeny jak histony, tak reverzní gyráza , není však jasné, zda je exprese těchto proteinů dostatečná k udržení dvoušroubovice DNA za hypertermofilních podmínek. Předpokládá se, že hlavní oblasti, kde jsou dva řetězce DNA Nanoarchaeum equitans spojeny do šroubovice, jsou geny kódující RNA [13] . V roce 2015 byl v Nanoarchaeum equitans objeven nový jednovláknový protein vázající DNA, protein podobný NeqSSB . Tento protein má velkou tepelnou stabilitu a může se vázat na nukleové kyseliny všech typů [14] .

Nanoarchaeum equitans má dva histony (NEQ288 a NEQ348), z nichž první je velmi blízký eukaryotickému histonu H3 [15] .

Genom Nanobsidianus stetteri je téměř o 20 % delší než genom Nanoarchaeum equitans a zahrnuje asi 651 000 párů bází, složení GC je asi 24 %. Kóduje všechny potřebné enzymy glukoneogeneze, neobsahuje systém CRISPR, kóduje složky RNázy P a kóduje také bičík podobný tomu u euryarcheot [5] [2] .

Fylogeneze

Podle fylogenetické analýzy je  Nanobsidianus stetteri sesterským taxonem Nanoarchaeum equitans ; zdá se, že tyto dva druhy představují dvě odlišné rodiny kmene Nanoarchaeota . Experimentální a genomické důkazy naznačují, že Nanoarchaeum equitans se vyvíjelo společně se svým jediným hostitelem, Ignicoccus hospitalis . Mezi hostiteli Nanobsidianus stetteri a Nanoarchaeum equitans je jen málo společného , ​​ale sdílejí tendenci genom zjednodušovat: genom I. hospitalis  je nejmenší ze známých genomů Crenarchaeots a genom domnělého hostitele Nanobsidianus stetteri , i když je větší, je nejmenší ze známých genomů v řádu Sulfolobales , který představuje [5] .

Dva druhy zahrnuté do kmene Nanoarchaeota tvoří dobře definovanou skupinu, která není blízce příbuzná žádné ze známých archaických skupin. Nanoarchaeota jsou nejblíž příbuzní Euryarchaeota , od které se odchýlili před velmi dlouhou dobou. Je možné, že evoluční silou pohánějící oddělení nanoarcheot od euryarcheot byla prastará symbióza; proto všichni zástupci Nanoarcheaota musí být symbionti nebo paraziti [5] .

Poznámky

1. ↑ 1 2 Vorobyova, 2007 , s. 344.
2. ↑ 1 2 3 4 5 Munson-McGee J. H., Field E. K., Bateson M., Rooney C., Stepanauskas R., Young M. J.  Nanoarchaeota, jejich hostitel Sulfolobales a distribuce viru Nanoarchaeota napříč horkými prameny Yellowstonského národního parku  a mikrobiologie // Applied . - 2015. - Sv. 81, č.p. 22. - S. 7860-7868. - doi : 10.1128/AEM.01539-15 . — PMID 26341207 .
3. ↑ Huber H., Hohn M. J., Rachel R., Fuchs T., Wimmer V. C., Stetter K. O.  Nový kmen Archaea reprezentovaný nanorozměrným hypertermofilním symbiontem  // Nature . - 2002. - Sv. 417, č.p. 6884. - S. 63-67. - doi : 10.1038/417063a . — PMID 11986665 .
4. ↑ Vorobyová, 2007 , s. 347-348.
5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Podar M., Makarova K. S., Graham D. E., Wolf Y. I., Koonin E. V., Reysenbach A. L.  Pohledy do archaeální evoluce a symbiózy z genomů nanoarchaeona a jeho odvozených hostitelů Pokolnarcha Yellowstone, Yelloweal Hostolnarcha  // Přímá biologie. - 2013. - Sv. 8. - S. 9. - doi : 10.1186/1745-6150-8-9 . — PMID 23607440 .
6. ↑ 1 2 Vorobyova, 2007 , s. 348.
7. ↑ Vorobyová, 2007 , s. 350.
8. ↑ 1 2 3 4 Waters E., Hohn M. J., Ahel I., Graham D. E., Adams M. D., Barnstead M., Beeson K. Y., Bibbs L., Bolanos R., Keller M., Kretz K., Lin Xiaoying, Mathur E ., Ni Jingwei, Podar M., Richardson T., Sutton G. G., Simon M., Soll D., Stetter K. O., Short J. M., Noordewier M.  Genom Nanoarchaeum equitans : pohledy do rané archaeální evoluce a odvozeného parazitismu  // Proc . Nat. Akad. sci. USA . - 2003. - Sv. 100, č. 22. - S. 12984-12988. - doi : 10.1073/pnas.1735403100 . — PMID 14566062 .
9. ↑ Archaea, 2007 , s. 55.
10. ↑ Giannone R. J., Huber H., Karpinets T., Heimerl T., Küper U., Rachel R., Keller M., Hettich R. L., Podar M.  Proteomická charakterizace buněčných a molekulárních procesů, které umožňují vztah Nanoarchaeum equitans  - Ignicoccus hospitalis  // PLoS One . - 2011. - Sv. 6, č. 8. - P. e22942. - doi : 10.1371/journal.pone.0022942 . — PMID 21826220 .
11. ↑ 1 2 3 4 5 Randau L.  Zpracování RNA v minimálním organismu Nanoarchaeum equitans  // Biologie genomu. - 2012. - Sv. 13, č. 7. - P. R63. - doi : 10.1186/cz-2012-13-7-r63 . — PMID 22809431 .
12. ↑ Vorobyová, 2007 , s. 348, 350.
13. ↑ Kawai Y., Maeda Y.  Nanoarchaeum equitans nedokázalo udržet rovnováhu mezi stabilitou DNA a potenciálem tání  // The Journal of General and Applied Microbiology. - 2011. - Sv. 57, č.p. 2. - S. 123-128. doi : 10.2323 /jgam.57.123 . — PMID 21606613 .
14. ↑ Olszewski M., Balsewicz J., Nowak M., Maciejewska N., Cyranka-Czaja A., Zalewska-Piątek B., Piątek R., Kur J.  Characterization of a Single-Stranded DNA-Binding-Like Protein from Nanoarchaeum equitans  - Protein vázající nukleovou kyselinu se širokou substrátovou specificitou  // PLoS One . - 2015. - Sv. 10, č. 5. - P. e0126563. - doi : 10.1371/journal.pone.0126563 . — PMID 25973760 .
15. ↑ Friedrich-Jahn U., Aigner J., Längst G., Reeve J. N., Huber H.  Nanoarcheální původ histonu H3?  // Journal of Bacteriology. - 2009. - Sv. 191, č.p. 3. - S. 1092-1096. - doi : 10.1128/JB.01431-08 . — PMID 19047349 .

Literatura

• Vorobjová L. I. . Archaea: učebnice pro vysoké školy. - M. : ICC "Akademkniga", 2007. - 447 s. - ISBN 978-5-94628-277-2 .
• Amils, Ricardo. . Nanoarchaeota // Encyklopedie astrobiologie / Ed. od Muriel Gargaud a kol. - Berlín: Springer-Verlag, 2011. - xliv + 1851 s. - ISBN 978-3-642-11274-4 .  - S. 1106. - doi : 10.1007/978-3-642-11274-4_1040 .
• Archaea: Evoluce, fyziologie a molekulární biologie / Ed. Roger A. Garrett, Hans-Peter Klenk. - Malden, MA: Blackwell Publishing Ltd., 2007. - xii + 416 s. — ISBN 978-1-4051-4404-9 . - doi : 10.1002/9780470750865 . .