THERMUS AQUATICUS: VLASTNOSTI, ŽIVOTNÍ CYKLUS, APLIKACE - BIOLOGIE - 2025

Thermus aquaticus je termofilní bakterie, objevená Thomasem Brockem v roce 1967, která se nachází v Phylum Deinococcus-Thermus. Je to gram-negativní, heterotrofní a aerobní mikroorganismus, který má tepelnou stabilitu jako vlastní vlastnost.

Vyrábí se z různých horkých pramenů mezi 50 ° C a 80 ° C a pH 6,0 až 10,5 v Yellowstonském národním parku a v Kalifornii v Severní Americe. Byl také izolován z umělých termálních stanovišť.

Thermus aquaticus. Bakterie uložené na 0,22 μm Millipore filtru (měřítko = 1 μm).

Představuje zdroj tepelně odolných enzymů, které přežívají různé cykly denaturace. V této souvislosti jsou proteiny a enzymy zvláště zajímavé pro biotechnologický průmysl.

Takto se enzymy, které jej tvoří, používají v genetickém inženýrství, v polymerázové řetězové reakci (PCR) a jako vědecký a forenzní výzkumný nástroj (Williams and Sharp, 1995).

Obecné vlastnosti

Yellowstonský park gejzír. Thermus aquaticus byl izolován z gejzíru. Zdroj: Pixabay

Je gram negativní

Thermus aquaticus získává při barvení podle Grama zbarvení fuchsie. Důvodem je to, že peptidoglykanová stěna je extrémně tenká, takže částice barviva v ní nejsou zachyceny.

Místo výskytu

Tato bakterie je navržena tak, aby odolala extrémně vysokým teplotám. To znamená, že jejich přirozeným stanovištěm jsou místa na planetě, kde teploty přesahují 50 ° C.

V tomto smyslu byla tato bakterie izolována od gejzírek, přičemž nejčastější jsou bakterie Yellowstonského národního parku; z horkých pramenů po celém světě a také z prostředí umělé horké vody.

Je to aerobní

To znamená, že Thermus aquaticus je bakterie, musí být v prostředích, které mu poskytují dostupnost kyslíku, aby mohl provádět své metabolické procesy.

Je termofilní

Toto je jedna z nejreprezentativnějších vlastností Thermus aquaticus. Tato bakterie byla izolována z míst, kde jsou extrémně vysoké teploty.

Thermus aquaticus je velmi zvláštní a rezistentní bakterie, protože při teplotách, které podporuje, jsou proteiny ve většině živých bytostí denaturovány a nezvratně přestávají plnit své funkce.

Tato bakterie má růstovou teplotu v rozmezí od 40 ° C do 79 ° C, přičemž optimální růstová teplota je 70 ° C.

Je to heterotrofní

Tato bakterie, stejně jako jakýkoli heterotrofní organismus, vyžaduje organické sloučeniny přítomné v prostředí, aby se mohla rozvíjet. Hlavními zdroji organické hmoty jsou bakterie a řasy přítomné v okolí i v okolní půdě.

Vzkvétá v mírně alkalickém prostředí

Optimální pH, ve kterém se Thermus aquaticus může vyvinout, aniž by proteiny, které jej tvoří, ztratily svou funkci, je mezi 7,5 a 8. Je třeba si uvědomit, že na stupnici pH 7 je neutrální. Nad to je alkalický a pod ním kyselý.

Produkuje velké množství enzymů

Thermus aquaticus je mikroorganismus, který byl velmi užitečný na experimentální úrovni díky své schopnosti žít v prostředích s vysokými teplotami.

Díky četným výzkumům bylo zjištěno, že syntetizuje četné enzymy, které, jak je známo, se v jiných mikroorganismech při stejné teplotě denaturují a ztrácí svou funkci.

Enzymy syntetizované Thermus aquaticus, které byly nejvíce studovány, jsou;

• Aldolasse
• Restrikční enzym Taq I
• DNA ligáza
• Alkalická fosfatáza
• Isocitrát dehydrogenáza
• Amylomaltáza

Fylogeneze a taxonomie

Tento mikroorganismus je orámován klasickým přístupem:

• Království: Bakterie
• Phylum: Deinococcus- Thermus
• Třída: Deinococci
• Pořadí: Thermales
• Rodina: Thermaceae
• Rod: Thermus
• Druh: Thermus aquaticus.

Morfologie

Bakterie Thermus aquaticus patří do skupiny bakterií ve tvaru tyčinky (bacily). Buňky mají velikost přibližně 4 až 10 mikronů. Pod mikroskopem jsou vidět velmi velké buňky a také malé buňky. Na povrchu buněk nemají řasinky nebo bičíky.

Buňka Thermus aquaticus má membránu, která je zase vytvořena ze tří vrstev: vnitřní plazmatická vrstva, vnější drsná a střední vrstva.

Jednou z charakteristických vlastností tohoto typu bakterií je to, že existují struktury, které vypadají jako tyče ve své vnitřní membráně a které jsou známé jako rotundová těla.

Podobně tyto bakterie obsahují ve své buněčné stěně velmi málo peptidoglykanů a na rozdíl od grampozitivních bakterií obsahují lipoproteiny.

Při vystavení přirozenému světlu se buňky bakterií mohou zbarvit žlutě, růžově nebo červeně. To je způsobeno pigmenty, které jsou obsaženy v bakteriálních buňkách.

Genetický materiál je tvořen jediným kruhovým chromozomem, ve kterém je obsažena DNA. Z toho přibližně 65% tvoří nukleotidy z guaninu a cytosinu, přičemž nukleotidy z thyminu a adeninu představují 35%.

Životní cyklus

Obecně se bakterie, včetně T. aquaticus, rozmnožují asexuálně buněčným dělením. Jeden chromozom DNA se začíná replikovat; replikuje se, aby mohl zdědit veškerou genetickou informaci dceřiným buňkám v důsledku přítomnosti enzymu zvaného DNA polymeráza. Během 20 minut je nový chromozom kompletní a v buňce ustálený.

Dělení pokračuje a po 25 minutách se začaly duplikovat dva chromozomy. Ve středu buňky a za 38 minut se objeví dělení. Dceřiné buňky představují dělení oddělené zdí, ukončující asexuální dělení za 45-50 min. (Dreifus, 2012).

Struktura a metabolismus buněk

Protože se jedná o gramnegativní bakterii, má vnější membránu (lipoproteinová vrstva) a periplazmu (vodní membránu), kde se nachází peptidoglykan. Nebyly pozorovány žádné řasinky nebo bičíky.

Složení lipidů těchto termofilních organismů se musí přizpůsobit kolísání teploty v kontextu, ve kterém se vyvíjejí, aby se zachovala funkčnost buněčných procesů, aniž by došlo ke ztrátě chemické stability, která je nezbytná k tomu, aby se zabránilo rozpuštění při vysokých teplotách (Ray et al. 1971).

Na druhou stranu se T. aquaticus stal skutečným zdrojem termostabilních enzymů. Taq DNA polymeráza je enzym, který katalyzuje lýzu substrátu vytvářením dvojné vazby, takže souvisí s enzymy typu lyázy (enzymy, které katalyzují uvolňování vazeb).

Protože pochází z termofilních bakterií, odolává dlouhým inkubacím při vysokých teplotách (Lamble, 2009).

Je třeba poznamenat, že každý organismus má pro svou replikaci DNA polymerázu, ale vzhledem ke svému chemickému složení neodolává vysokým teplotám. Proto je taq DNA polymeráza hlavním enzymem používaným k amplifikaci sekvencí lidského genomu i genomů jiných druhů.

Aplikace

Amplifikujte fragmenty

Tepelná stabilita enzymu umožňuje jeho použití v technikách pro amplifikaci fragmentů DNA prostřednictvím replikace in vitro, jako je PCR (polymerázová řetězová reakce) (Mas and Colbs, 2001).

To vyžaduje počáteční a konečné primery (krátká nukleotidová sekvence, která poskytuje výchozí bod pro syntézu DNA), DNA polymeráza, deoxyribonukleotid trifosfát, roztok pufru a kationty.

Reakční zkumavka se všemi elementy se umístí do tepelného cyklovače mezi 94 a 98 ° C, aby se DNA rozdělila na jednotlivé řetězce.

Výkon primerů začíná a opětovné ohřev nastane opět mezi 75-80 ° C. Zahájí syntézu od 5 'do 3' konce DNA.

Zde je důležitost použití termostabilního enzymu. Pokud by byla použita jakákoli jiná polymeráza, byla by zničena při extrémních teplotách nezbytných k provedení procesu.

Kary Mullis a další vědci společnosti Cetus Corporation zjistili vyloučení potřeby přidat enzym po každém cyklu tepelné denaturace DNA. Enzym byl klonován, modifikován a produkován ve velkém množství pro komerční prodej.

Katalyzovat biochemické reakce

Hydrolýza lepku termoaktivní serinovou peptidázou aqualysin1 z T. aquaticus začíná při výrobě chleba nad 80 ° C.

Tímto je studován relativní příspěvek tepelně stabilního lepku na strukturu strouhanky chleba (Verbauwhede a Colb, 2017).

Degradace polychlorovaných bifenylových sloučenin

1. Brock, TD., Freeze H. Thermus aquaticus gen. n. a sp. n., nespojující extrémní termofil. 1969. J. Bacteriol. Vol. 98 (1). 289-297.
2. Dreifus Cortes, George. Svět mikrobů. Redakční fond pro hospodářskou kulturu. Mexiko. 2012.
3. Ferreras P. Eloy R. Exprese a studium termostabilních enzymů biotechnologického zájmu Universidad Autónoma de Madrid. DOCTORÁLNÍ TÉMA Madrid. 2011. K dispozici na adrese: repositorio.uam.es.
4. Mas E, Poza J, Ciriza J, Zaragoza P, Osta R a Rodellar C. Odůvodnění polymerázové řetězové reakce (PCR). AquaTIC č. 15, listopad 2001.
5. Ruiz-Aguilar, Graciela ML, Biodegradace polychlorovaných bifenylů (PCB) mikroorganismy. Acta Universitaria 2005, 15 (květen-srpen). K dispozici na redalyc.org.
6. Sharp R, William R. Thermus specie. Biothecnology Handbooks. Springer Science Business Media, LLC. devatenáct devadesát pět.