Deinococcus radyodurans -Deinococcus radiodurans

Deinococcus radyodurans
Deinococcus radiodurans.jpg
Bir tetrad D. radiodurans
bilimsel sınıflandırma
İhtisas:
bakteri
Krallık:
öbakteri
filum:
Deinococcus-Thermus
Sınıf:
Deinokoklar
Emir:
Deinokokal
Aile:
Deinococcaceae
cins:
Deinokok
Türler:
D. radyodurans
Binom adı
Deinococcus radyodurans
Brooks & Murray, 1981

Deinococcus radiodurans bir olduğunu ekstremofilik bakteri ve en çok bir radyasyona-dirençli organizmalar da bilinir. Soğukta, dehidrasyonda , vakumda ve asitte hayatta kalabilirve bu nedenle poliekstremofil olarak bilinir. Guinness Rekorlar Kitabı'nda dünyanın bilinen en sert bakterisi olarak listelenmiştir.

İsim ve sınıflandırma

Adı Deinococcus radiodurans türetilmiştir Antik Yunan δεινός ( deinos ) ve κόκκος ( Kokkos "korkunç tahıl / dut" ve anlamında) Latin yarıçapı ve durare anlamına gelen "radyasyon hayatta kalan". Türe daha önce Micrococcus radiodurans adı verildi . Sertliğinin bir sonucu olarak , Barbar Conan'a atıfta bulunarak “Bakteri Conan” olarak adlandırılmıştır .

Başlangıçta, Micrococcus cinsine yerleştirildi . Ribozomal RNA dizileri ve diğer kanıtların değerlendirilmesinden sonra , Thermus cinsiyle yakından ilişkili olan kendi cinsi Deinococcus'a yerleştirildi . " Deinococcus-Thermus grubu" terimi bazen Deinococcus ve Thermus üyelerini belirtmek için kullanılır .

Deinococcus amacıyla üç biri cinsidir Deinococcales . D. radiodurans , bu cinsin türü ve en iyi çalışılan üyesidir. Cinsin bilinen tüm üyeleri radyo-dirençlidir: D. proteolyticus , D. radiopugnans , D. radiophilus , D. grandis , D. indicus , D. frigens , D. saxicola , D. marmoris , D. Deserti , D. geothermalis ve D. murrayi ; son ikisi de termofiliktir .

Tarih

D. radiodurans Arthur Anderson tarafından 1956 yılında keşfedilmiştir Oregon Tarımsal Deneme İstasyonu de Corvallis, Oregon . Konserve gıdaların yüksek dozda gama radyasyonu kullanılarak sterilize edilip edilemeyeceğini belirlemek için deneyler yapılıyordu . Bir teneke et, bilinen tüm yaşam biçimlerini öldürdüğü düşünülen bir doz radyasyona maruz bırakıldı, ancak et daha sonra bozuldu ve D. radiodurans izole edildi.

Tam DNA sekansı, bir D. radiodurans tarafından 1999 yılında yayınlanan Genomik Araştırma için Enstitü . Ayrıntılı bir açıklama ve genom analizi 2001'de ortaya çıktı. Dizili soy, ATCC BAA-816 idi.

Deinococcus radiodurans hem tamir hangi özel bir kaliteye sahip tek ve çift iplikli DNA. Hücrede hasar görüldüğünde, hasarlı DNA'yı, DNA'nın onarıldığı bölmeli halka benzeri bir yapıya getirir ve daha sonra bölmenin dışından nükleoidleri hasarlı DNA ile kaynaştırabilir.

Ağustos 2020'de bilim adamları , Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) üzerinde yürütülen çalışmalara dayanarak, Dünya'dan gelen bakterilerin , özellikle Deinococcus radiodurans bakterilerinin, uzayda üç yıl hayatta kaldıklarının tespit edildiğini bildirdi . Bu bulgular , uzay tozu , meteoroidler , asteroitler , kuyruklu yıldızlar , gezegenler veya kontamine uzay araçları dahil olmak üzere çeşitli şekillerde dağılmış , Evrende yaşamın var olduğu hipotezi olan panspermi kavramını desteklemektedir . Ekim 2020'de, ISS dışında bir yıllık maruziyetin ardından ilgili çalışmalar rapor edildi.

Açıklama

D. radiodurans , 1.5 ila 3.5 μm çapında oldukça büyük, küresel bir bakteridir . Dört hücre normalde birbirine yapışarak bir tetrat oluşturur. Bakteriler kolayca kültürlenir ve hastalığa neden olmaz. Kontrollü büyüme koşulları altında dimer, tetramer ve hatta multimer morfolojilerine sahip hücreler elde edilebilir. Koloniler pürüzsüz, dışbükey ve pembe ila kırmızı renktedir. Hücre zarfı olağandışı olmasına ve Gram negatif bakterilerin hücre duvarlarını andırmasına rağmen, hücreler Gram pozitif boyanır.

D. radiodurans endospor oluşturmaz ve hareketsizdir. Bir olan zorunlu aerobik chemoorganoheterotroph kullandığı, örneğin, oksijen ortamındaki organik bileşikler türet enerjiye. Genellikle kanalizasyon, et, dışkı veya toprak gibi organik maddelerce zengin habitatlarda bulunur, ancak tıbbi aletlerden, oda tozlarından, tekstil ürünlerinden ve kuru gıdalardan da izole edilmiştir.

İyonlaştırıcı radyasyona , ultraviyole ışığa, kuruma ve oksitleyici ve elektrofilik ajanlara karşı son derece dayanıklıdır .

Genomu , biri 2.65 milyon baz çifti uzunluğunda ve diğer 412.000 baz çifti uzunluğunda iki dairesel kromozomun yanı sıra 177.000 baz çiftinden oluşan bir megaplazmit ve 46.000 baz çiftinden oluşan bir plazmitten oluşur. Yaklaşık 3.195 gene sahiptir . Durağan fazında, her bakteri hücresi bu genomun dört kopyasını içerir; hızla çoğaldığında, her bakteri genomun 8-10 kopyasını içerir.

İyonize-radyasyon direnci

D. radiodurans , neredeyse hiç canlılık kaybı olmadan 5.000 gri (Gy) veya 500.000 rad iyonlaştırıcı radyasyonun akut dozuna ve %37 canlılık ile 15.000 Gy akut dozuna dayanabilir  . 5.000 Gy'lik bir dozun, organizmanın DNA'sına (~0,005 DSB/Gy/Mbp (haploid genom)) birkaç yüz çift zincir kırılması (DSB) sokacağı tahmin edilmektedir. Karşılaştırma için, bir göğüs röntgeni veya Apollo görevi yaklaşık 1 mGy içerir, 5 Gy bir insanı öldürebilir, 200-800 Gy E. coli'yi öldürür ve 4.000 Gy'den fazlası radyasyona dirençli tardigradı öldürür .

Chroococcidiopsis cinsinin bazı türleri (phylum cyanobacteria ) ve bazı Rubrobacter türleri (phylum actinobacteria ); arkeler arasında, Thermococcus gammatolerans türü karşılaştırılabilir radyo- direnç gösterir. Deinococcus radiodurans ayrıca hasarlı DNA'yı onarmak için benzersiz bir yeteneğe sahiptir. Kontrollü bir alanda hasarlı segmentleri izole eder ve onarır. Bu bakteriler ayrıca bütün bir kromozomdan birçok küçük parçayı onarabilir.

İyonlaştırıcı radyasyon direnci mekanizmaları

Deinococcus , radyasyona karşı direncini, genomunun çoklu kopyalarına ve hızlı DNA onarım mekanizmalarına sahip olarak gerçekleştirir. Genellikle kromozomlarındaki kırıkları 12-24 saat içinde 2 aşamalı bir işlemle onarır. İlk olarak, D. radiodurans , tek iplikli tavlama adı verilen bir işlemle bazı kromozom parçalarını yeniden bağlar . İkinci adımda, çoklu proteinler, homolog rekombinasyon yoluyla çift zincir kırıklarını onarır . Bu süreç, normal bir replikasyon turundan daha fazla mutasyon getirmez. Teorik olarak, Deinococcus çok az mutasyon birikimine sahip olmalıdır.

Taramalı elektron mikroskobu analizi, D. radiodurans'taki DNA'nın, DNA onarımını kolaylaştırabilecek sıkıca paketlenmiş toroidler halinde düzenlendiğini göstermiştir .

Miroslav Radman liderliğindeki Hırvat ve Fransız araştırmacılardan oluşan bir ekip , DNA onarım mekanizmasını incelemek için D. radiodurans'ı bombaladı . Rastgele DNA kırılmaları olan genomun en az iki kopyası, tavlama yoluyla DNA fragmanları oluşturabilir . Kısmen örtüşen fragmanlar daha sonra , fragmanlar tamamlayıcı ortak iplikler bulana kadar uzamaya devam edebilen hareketli bir D-döngüsü aracılığıyla homolog bölgelerin sentezi için kullanılır . Son adımda, RecA'ya bağımlı homolog rekombinasyon yoluyla çaprazlama vardır .

D. radiodurans , bir hücreden türetilen DNA'nın başka bir hücre tarafından alınabildiği ve homolog rekombinasyon yoluyla alıcı genomuna entegre edildiği bir süreç olan genetik transformasyon yeteneğine sahiptir. DNA hasarları (örneğin pirimidin dimerleri) donör DNA'ya UV ışıması ile dahil edildiğinde, alıcı hücreler, hücrelerin kendileri ışınlandığında hücresel DNA'da olduğu gibi dönüştürücü DNA'daki hasarları verimli bir şekilde onarır.

Michael Daly, bakterinin kendisini radyasyon hasarına karşı korumak için antioksidan olarak manganez kompleksleri kullandığını öne sürdü . 2007'de ekibi, D. radiodurans'taki yüksek hücre içi manganez(II) seviyelerinin proteinleri radyasyonla oksitlenmekten koruduğunu gösterdi ve "iyonize edici biyolojik eylemin başlıca hedefinin DNA'dan ziyade protein olduğu" fikrini önerdiler. radyasyon] hassas bakterilerde ve Mn biriktiren bakterilerde aşırı direnç, protein korumasına dayanmaktadır". 2016 yılında Massimiliano Peana ve ark . amino asit bileşimi en yaygın amino asitlerin çoğunu içerecek şekilde seçilen DP1 (DEHGTAVMLK) ve DP2 (THMVLAKGED) ile Mn(II) etkileşimi üzerine NMR, EPR ve ESI-MS teknikleri aracılığıyla bir spektroskopik çalışma bildirdi. iyonlaştırıcı radyasyona karşı aşırı direnç sağlayabilen bileşenler içeren bir Deinococcus radiodurans bakteri hücresiz ekstraktında bulunan asitler. 2018'de M. Peana ve C. Chasapis, yapısal verilere ve açıklamalara dayalı biyoinformatik stratejilerin birleşik bir yaklaşımıyla, DR genomu tarafından kodlanan Mn(II)-bağlayıcı proteinleri bildirdiler ve DR proteom ağı ile Manganez etkileşimi için bir model önerdiler. ROS tepkisi ve savunmasında yer alır.

Rusça ve Amerikan bilim insanları ekibi ait radioresistance önerdi D. radiodurans bir vardı Mars kökenli. Mikroorganizmanın evriminin Mars yüzeyinde, bir göktaşı üzerinde Dünya'ya teslim edilene kadar gerçekleşmiş olabileceğini öne sürdüler . Bununla birlikte, radyasyona karşı direncinin yanı sıra, Deinococcus , genetik ve biyokimyasal olarak diğer karasal yaşam formlarına çok benzer ve onlar için ortak olmayan dünya dışı bir kökene karşı tartışır.

2009 yılında, nitrik oksidin bakterinin radyasyona maruziyetten kurtulmasında önemli bir rol oynadığı bildirildi: DNA hasarı onarıldıktan sonra bölünme ve çoğalma için gaz gereklidir. UV radyasyonundan sonra nitrik oksit üretimini artıran bir gen tanımlandı ve bu genin yokluğunda, bakteriler hala DNA hasarını onarabildi, ancak büyümeyecekti.

İyonlaştırıcı radyasyon direncinin evrimi

D. radiodurans ile ilgili kalıcı bir soru , bu kadar yüksek derecede bir radyorezistansın nasıl gelişebileceğidir. Doğal arka plan radyasyon seviyeleri çok düşüktür - çoğu yerde yılda 0,4 mGy düzeyinde ve bilinen en yüksek arka plan radyasyonu, Ramsar , İran yakınlarında yılda sadece 260 mGy'dir. Doğal olarak oluşan arka plan radyasyon seviyeleri çok düşükken, organizmaların özellikle yüksek radyasyonun etkilerini savuşturmak için mekanizmalar geliştirmesi olası değildir.

Louisiana Eyalet Üniversitesi'nden Valerie Mattimore, D. radiodurans'ın radyo- direncinin, uzun süreli hücresel kuruma (kuruluk) ile başa çıkmak için bir mekanizmanın yan etkisi olduğunu öne sürdü . Bu hipotezi desteklemek için, iyonlaştırıcı radyasyondan kaynaklanan hasara karşı oldukça hassas olan mutant D. radiodurans suşlarının , aynı zamanda uzun süreli kurumadan kaynaklanan hasara karşı oldukça hassas olduğunu, vahşi tip suşun ise her ikisine de dirençli olduğunu gösterdiği bir deney gerçekleştirdi . D. radiodurans , DNA onarımına ek olarak, kurumaya karşı koruma sağlamak için LEA proteinleri ( Geç Embriyogenez Bol proteinler ) ekspresyonunu kullanır.

Bu bağlamda, aynı zamanda, ana protein kompleksi olan S-tabakası Deinoxanthin Binding Complex (SDBC) aracılığıyla D. radiodurans'ın sağlam S-katmanı , aşırı radyodirencine güçlü bir şekilde katkıda bulunur. Aslında, bu S-tabaka, iyonlaştırıcı radyasyona maruz kalma durumunda olduğu gibi elektromanyetik strese karşı bir kalkan görevi görür, fakat aynı zamanda hücre duvarını olası yüksek sıcaklıklara ve kurumaya karşı stabilize eder.

Uygulamalar

Hücre döngüsünü incelemek için bir model sistem olarak Deinococcus radiodurans

Deinococcus radiodurans'ın farklı araştırma alanlarında kullanım için büyük bir potansiyele sahip olduğu gösterilmiştir. D.radiodurans sadece biyoremediasyon uygulamaları için genetik olarak modifiye edilmekle kalmadı , aynı zamanda biyomedikal araştırmalarda ve nanoteknolojide önemli bir rol oynayabileceği keşfedildi .

Biyoremediasyon , kirleticiler tarafından değiştirilmiş bir ortamı doğal durumuna döndürmek için mikroorganizmaları, mantarları, bitkileri veya bunlardan türetilen enzimleri kullanan herhangi bir işlemi ifade eder. Geniş toprak, tortu ve yeraltı suyu alanları radyonüklidler , ağır metaller ve toksik çözücüler ile kirlenmiştir . Ağır metalleri hareketsiz hale getirerek toprakları dekontamine edebilen mikroorganizmalar vardır , ancak nükleer atık durumunda iyonlaştırıcı radyasyon yararlı olabilecek mikroorganizma miktarını sınırlar. Bu anlamda D. radiodurans , özelliklerinden dolayı nükleer enerji atıklarının arıtılması için kullanılabilir . Deinococcus radiodurans , bu radyoaktif ortamlarda çözücüleri ve ağır metalleri tüketmek ve sindirmek için genetik olarak tasarlanmıştır . Cıva redüktaz geni edilmiş klonlanmış gelen Escherichia coli içine Deinococcus detoks iyonik cıva sıklıkla bulunan tortu radyoaktif atık üretilen nükleer silah üretimi. Bu araştırmacılar geliştirilen zorlanma ait Deinococcus cıva ve her iki detoks olabilir toluen karışık radyoaktif atıkların içinde. Ayrıca, spesifik olmayan bir asit kodlayan bir gen fosfataz gelen Salmonella enterica serovar Typhi, ve alkalin fosfataz gen Sphingomonas suşları tanıtılmıştır D.radiodurans sırasıyla asit ve alkalin çözeltiler içinde uranyum bioprecipitation için.

Biyomedikal alanında, Deinococcus radiodurans , yaşlanmaya ve kansere yol açan süreçleri incelemek için bir model olarak kullanılabilir . Bu fizyolojik değişikliklerin temel nedenleri hasar ile ilgili DNA , RNA ve protein kaynaklanan oksidatif stres , antioksidan savunma zayıflaması ve hasar ile başa çıkmak için tamir mekanizmaları yetersizlik kaynaklı reaktif oksijen türleri olarak da bilinen, ROS. Bu kapsamda, D.radiodurans'ın oksidatif hasara karşı koruma ve DNA onarımı mekanizmaları, yaşlanmayı ve kanseri önlemek için tıbbi prosedürler geliştirmeyi amaçlayan araştırmalarda başlangıç ​​noktaları olabilir . Bazı araştırma hatları, ROS hasarını önlemek için insan hücrelerinde D. radiodurans antioksidan sistemlerinin uygulanmasına ve tümör hücrelerinde radyasyona karşı direnç gelişiminin çalışmasına odaklanmıştır .

D.radiodurans'ın gümüş ve altın nanoparçacıklarının sentezinde nanoteknolojik bir uygulaması da tarif edilmiştir. Bu nanoparçacıkları üretmek için kimyasal ve fiziksel yöntemler pahalı ve büyük miktarda kirletici üretirken , biyosentetik süreçler çevre dostu ve daha ucuz bir alternatifi temsil ediyor. Bu nanoparçacıkların önemi, patojenik bakterilere karşı aktivite, kirlenme önleyici etkiler ve tümör hücrelerine sitotoksisite sergiledikleri gösterildikleri için tıbbi uygulamalarına dayanmaktadır .

Ayrıca, Deinococcus radiodurans'ın diğer yaygın olmayan uygulamaları da vardır . Genom Araştırma Enstitüsü hızlı DNA tamir mekanizmaları türetilen bir sistem kullandı D. radiodurans içine sentetik DNA fragmanları birleştirmek için kromozom da çağrı sentetik üreten organizma nihai hedef, Mycoplasma laboratorium . 2003'te ABD'li bilim adamları, D. radiodurans'ın nükleer bir felaketten kurtulabilecek bir bilgi depolama aracı olarak kullanılabileceğini gösterdi . " It's a Small World " şarkısını 150 baz çifti uzunluğundaki bir dizi DNA parçasına çevirdiler , bunları bakterilere yerleştirdiler ve 100 bakteri nesli sonra onları hatasız bir şekilde geri alabildiler.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar