Экстремофильные микроорганизмы Биохимическая адаптация и биотехнологическое применение
Фактор температуры - психрофилы (Тoпт ≤ 15°С) - мезофилы (Тoпт ≈ 37°С) - термофилы (Тoпт > 50°С) - гипертермофилы (Тoпт > 80°С) Максимальныи верхнии температурныи предел роста (113°С) обнаружен у нитратвосстанавливающеи хемолитоавтотрофнои археи Pyrolobus fumarii
Способность существовать при экстремальных значениях температуры привела к изменению строения цитоплазматическои мембраны, а также к синтезу экстремоферментов и белков теплового шока Ферменты экстремофилов характеризуются - повышеннои термостабильностью - более высокои скоростью реакции - оптимум их деи ствия, как правило, выше 90°С. Для сравнения, ферменты, выделенные из мезофилов, максимально активны при 25– 60°С, из психрофилов – при 5– 25°C
Психрофильные организмы синтезируют гликопротеины и пептиды, обладающие свои ствами антифризов. Кристаллизация внутриклеточной воды является летальной для любого организма, за исключением нематод Panagrolaimus davidi, способных переживать замерзание всей воды тела.
Давление Барофилы (=пьезофилы) Vibrio cholerae психрофильные мезофильные термофильные Оптимальное давление 70– 80 Мпа. Способны расти на глубине более 10 км (Марианскии желоб – 10 898 м) при давлении до 130 Мпа
Влияние радиации: Позитивный радиотропизм (у микромицетов в зоне отчуждения ЧАЭС ) - активация роста и синтеза биологически активных веществ - повышение вирулентности - увеличение ферментативнои активности. У почвенных грибов адаптивныи эффект наблюдался при дозах на три порядка выше такового для животных клеток и на порядок выше, чем для растении. Deinococcus radiodurans
У штаммов Hormoconis resinae, выделенных из 4 блока ЧАЭС - активация синтеза меланина - значительные изменения в активности ферментов, полифенолоксидазы и тирозиназы, регулирующих его синтез При деи ствии ионизирующего излучения у содержащих меланин грибов обнаруживается значительное увеличение сигнала электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) меланиновых пигментов и активация ростовых процессов Облучение низкими дозами стимулирует образование ряда специфических белков, принимающих участие в репарации ДНК.
р. Н среды обитания - ацидофилы (оптимум роста при р. Н < 2. 0) - неи трофилы (оптимум роста при р. Н 6. 0– 8. 0) - алкалофилы (активны при р. Н > 9. 0) - галоалкалофилы (+высокие концентрации Na. Cl (≥ 33%)).
Ацидофильные и алкалофильные микроорганизмы имеют эффективные механизмы поддержания внутриклеточного ионного гомеостаза, сохраняя близкие к нейтральным значения р. Н внутри клеток. Ацидофильные микроорганизмы вынуждены компенсировать Δр. Н путем изменения заряда трансмембранного потенциала (ΔΨ) внутри клеток с «–» на «+» посредством активного поглощения положительно заряженных ионов, например К+, клеткой.
Алкалофильным микроорганизмам помимо осмоадаптации, необходимо поддерживать р. Н гомеостаз внутри клетки. Замещение протонов на Na+ позволило решить эту проблему Вторичныи Na+/H+ антипорт стал главным механизмом для выведения ионов Na+. Антипортер замещает ионы Na+ на протоны через мембрану в электрогенных процессах, что приводит к выбросу ионов Na+ за счет электрохимического протонного потенциала.
Высокие концентрации солеи Галофильные и галотолерантные микроорганизмы
Известны два способа, посредством которых микроорганизмы противостоят воздеи ствиям высоких концентрации солеи. - создание “соли в цитоплазме” (накопление неорганических ионов внутри клеток в концентрациях, сравнимых с внешними) Dunaliella salina - активное удаление солеи из цитоплазмы (тургорное давление создается за счет накопления высоких концентрации органических молекул – осмолитов)
Механизмы биохимическои адаптации различных микроорганизмов имеют много общих черт: - синтез ферментов, проявляющих значительную устои чивость к соответствующим экстремальным факторам - соединении , обеспечивающих устои чивость субклеточных и мембранных структур - изменение путеи метаболизма и скорости отдельных реакции - модификация состава и строения мембран
Проблема культивирования экстремофилов - достаточно низкая продуктивность - клонирование необходимых генов в различных мезофильных системах экспрессии бактерии (например, клонирование и экспрессия термостабильнои ксиланазы из Rhodothermus marinus в E. сoli, пуллуланазы из Desulfurococcus mucosus в Bacillus subtilis) - внедрение новых способов культивирования (использование диализного биореактора, позволившего увеличить выход биомассы Sulfolobus shibatae в 30– 40 раз по сравнению с обычным ферментером, за счет удаления вторичных метаболитов, ингибирующих синтез)
Ферменты Наиболее перспективны для промышленного использования ферменты термофилов. При их выращивании • уменьшается риск микробного заражения • увеличивается растворимость субстратов • уменьшается вязкость культуральнои жидкости Большинство ферментов термофилов имеют высокую термостабильность и оптимум р. Н при температуре от 70 до 125°C
Термофильные и гипертермофильные микроорганизмы являются источником высокотермостабильных гидролаз, используемых в различных отраслях промышленности. Психрофильные микроорганизмы также могут быть использованы в качестве продуцентов гидролаз для пищевои промышленности и очистки промышленных стоков Алкалофильные микроорганизмы (бактерии рода Bacillus) - источник ферментов, устои чивых к температуре при щелочных значениях р. Н, в различных отраслях промышленности (эластаза и кератиназа - в косметологии, гидролитические ферменты – целлюлазы, протеиназы, амилазы, липазы – в производстве детергентов)
Ферменты нуклеинового обмена – ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы, рестриктазы, фосфатазы (в молекулярнои биологии и медицине) Высокая термостабильность ДНК-полимеразы Termus aquaticus (Taq) фермента значительно упрощает процедуру амплификации ДНК при ПЦР
ДНК-полимераза бактерии Pyrococcus furiosus (Pfu) обладает бо льшеи репликационнои точностью, и используется для диагностики вирусных и бактериальных инфекций Для секвенирования ДНК применяется смесь термостабильных ферментов – термосеквеназы ДНК-полимеразы Termus aquaticus и пирофосфатазы TAP Thermoplasma acidophilim, это сочетание позволило увеличить чувствительность метода.
Использование ферментов экстремофильных организмов в качестве компонента биосенсоров за счет свои ства фермента связываться с субстратом без его дальнеи шеи трансформации при комнатнои температуре. Применение термостабильных ферментов Bacillius stearothermophilus и B. acidocaldarius в качестве биосенсоров при анализе крови для определения глюкозы, ионов калия и натрия, открывает широкие перспективы для быстрои диагностики различных заболевании , в частности диабета.
Биологически активные вещества Экстремолиты (глицерин, бетаин, эктоин, гидроксиэктоин) микроорганизмов, используются в пищевои промышленности, косметологии и фармацевтике, молекулярной биологии. Показано, что эти вещества оказывают стабилизирующее деи ствие на белки, нуклеиновые кислоты, отмечен положительныи эффект добавок при проведении полимеразнои цепнои реакции и использовании при экспрессии гетерологичных белков
Лекарственных препараты Сухой препарат галофильнои водоросли Dunaliella обладает антиоксидантными свои ствами, содержит каротиноиды: β-каротин и зеаксантин. Dunaliella содержит 9 -цис-βкаротин, которыи обладает в 10 раз более выраженным ингибирующим деи ствием на раковые клетки по сравнению с “обычным” βкаротином
Наиболее перспективными области применения биологически активных веществ из экстремофилов - пищевая промышленность и сельское хозяи ство. Молочнокислые бактерии Tetragenococcus halophila, осуществляющие гомоферментативное брожение при высокои концентрации Na. Cl (18. 0%), применяются при производстве соевого соуса Антарктические бактерии родов Shewanella, Colwellia и др. – перспективный источник длинноцепочечных полиненасыщенных жирных кислот.
Биоремедиация. Для биоремедиации полярных почв и вод, загрязненных нефтью, могут быть использованы психрофильные и психротолерантные микроорганизмы Deinococcus radiodurans R 1 можно использовать как окисляющие Fe 3+ бактерии, играющие важную роль в иммобилизации технеция в донных отложениях Для удаления тория из среды грибы Rhizopus arrhizus и Aspergillus niger являются самыми эффективным сорбентами с высокой сорбционнои емкостью
Использование галофильных и галотолерантных микроорганизмов для мелиорации соленых почв Перемещение почвенного слоя вместе с верхнеи подстилкои азотфиксирующеи цианобактерии Anabaena torulosa, позволяет значительно снизить (на 26– 38%) соленость почв Получение трансгенных растении с генами устои чивости к различным факторам стресса открывает широкие перспективы для освоения ранее непригодных для сельского хозяи ства земель. Например, введение гена dna. K 1 из галотолерантнои цианобактерии Aphanothece halophytica в растение значительно увеличило устои чивость табака к Na. Cl (до 3. 0 M)
Спасибо за внимание!
Скачать презентацию Экстремофильные микроорганизмы Биохимическая адаптация и биотехнологическое применение
Biotech_extr.pptx