ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2010, том 46, № 1, с. 5-20
УДК 576.80:663.8
ЭКСТРЕМОФИЛЬНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ: БИОХИМИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ (ОБЗОР)
© 2010 г. Е. В. Морозкина*, Э. С. Слуцкая*, Т. В. Фёдорова*, Т. И. Тугай**,
Л.И. Голубева*,О. В. Королёва*
*Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, Москва, 119071 Россия e-mail: Morozkina@inbi.ras.ru **Институт микробиологии и вирусологии им. Д.К. Заболотного НАНУкраины, Киев, 03143
Поступила в редакцию 31.10.2008 г.
В обзоре представлен анализ современных данных о биохимической адаптации микроорганизмов к существованию в экстремальных условиях. Особое внимание уделено анализу адаптационных ответов микроорганизмов в условиях повышенной радиации на молекулярном и клеточном уровнях. Систематизированы данные о практическом использовании экстремофилов и синтезируемых ими экстремоферментах, биологически активных соединениях, биополимерах и др.
В последние годы микроорганизмы, обитающие в экстремальных условиях, находятся в центре внимания исследователей. Большой интерес ученых вызывает изучение механизмов биохимической адаптации микроорганизмов к экстремальным условиям окружающей среды, а также использование экстремофилов и экстремоферментов в биотехнологии.
Выделенные из экстремальных экологических ниш микроорганизмы (экстремофилы) хорошо адаптированы к неблагоприятным факторам окружающей среды и обладают огромным биотехнологическим потенциалом. Синтезируемые ими ферменты, как правило, обладают повышенной активностью, стабильностью и могут функционировать при высоких температурах, концентрациях солей (галоферменты), в условиях высокой щелочности (алкалоферменты) и других экстремальных условиях (высокое давление, кислотность и т.д.) [1—3]. Как правило, ферменты экстремофилов проявляют повышенную устойчивость не к одному, а к нескольким факторам среды, что делает возможным их широкое использование при разработке промышленных биотехнологий. Наиболее перспективно применение синтезируемых экстремофилами биологически активных соединений в медицине, косметологии, пищевой промышленности [2, 3].
Обзор посвящен анализу литературных данных по биохимической адаптации к неблагоприятным факторам окружающей среды. Большой экспериментальный материал о влиянии и механизме действия различных факторов таких, как температура, высокие концентрации солей и рН, собран и обобщен в опубликованных в последнее время обзорах
[4—8]. Тем не менее, данные о влиянии на микроорганизмы давления, радиации, тяжелых металлов и т.д. весьма ограничены.
Цель настоящего обзора — обобщение ряда новых примеров адаптивных реакций микроорганизмов на воздействие физических и химических факторов окружающей среды, рассмотрение биохимической адаптации на молекулярном и клеточном уровнях, а также практического использования экстремофилов.
АДАПТАЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ К ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ УСЛОВИЯМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Фактор температуры. Температура — одно из важнейших условий существования жизни, поскольку ее изменение оказывает существенное влияние на различные физические и биологические процессы. При высоких температурах происходит увеличение текучести мембран, денатурация белков и нуклеиновых кислот, меняется растворимость газов (О2 и СО2), необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов, а при низких температурах образуются кристаллы льда, вызывающие повреждения цитоплазматических мембран.
По отношению к температуре микроорганизмы, как известно, подразделяют на психрофилов (оптимальная температура роста <15°С), мезофиллов (Гопт ~ 37°С), термофилов (Гопт > 50°С) и гипертермофилов (Гопт > 80°С). Термофильные микроорганизмы, встречающиеся чаще, чем гипертермофильные, представлены различными видами бактерий, включая фотосинтетические (ци-анобактерии, пурпурные и зеленые бактерии), эн-
теробактерии (Bacillus, Clostridium и др.), тионовые (Thiobacillus) и археи (Pyrococcus, Thermoccocus, Sul-folobus, метаногены) [3].
Вопрос о происхождении экстремофильных организмов до сих пор остается спорным. С одной стороны, согласно данным анализа 16S и 18S рРНК из всех существующих организмов ближе всех к основанию филогенетического дерева происхождения жизни на Земле находятся термофильные бактерии и гипертермофильные археи [9] и, следовательно, гипертермофилы действительно предшествовали мезофильным организмам. Некоторые авторы придерживаются гипотезы, согласно которой гипертермофилы произошли от мезо-фильных организмов, в результате адаптации к высоким температурам окружающей среды. В основе данной гипотезы лежит предположение, что РНК не могла быть стабильной при повышенных температурах [9].
В настоящее время известно более 70 видов, 29 родов и 10 порядков гипертермофилов, большинство из которых — археи. Максимальный известный верхний температурный предел роста (113°С) был обнаружен у нитратвосстанавливающей хемо-литоавтотрофной археи Pyrolobus fumarii [10]. Затем были найдены гипертермофильные бактерии, которые растут при температуре 121°С [11], не способные существовать при температуре ниже 80— 90°С.
Способность существовать при экстремальных значениях температуры привела к изменению строения цитоплазматической мембраны, а также синтезу экстремоферментов и белков теплового шока [12, 13].
Молекулярные механизмы, используемые двумя отдельными филогенетическими группами гипертермофилов — археями и бактериями для выживания при высоких температурах, различаются. Липиды мембран архей отличаются от липидов бактериальных клеток содержанием L-изомера глицерина вместо D-глицерина; присутствием насыщенного полиизопрена — фи-танила (3,7,11,15-тетраметилгексадесил) (С20) с 4 боковыми СН3-группами вместо неразветвленных жирных кислот с 16—18 атомами углерода в структуре исследованных ранее мембран; наличием простых эфирных связей между L-глицерином и фитанилом (с одним атомом кислорода) [13]. Ветвление боковых цепей может приводить к объединению молекул фитанила внутри одного слоя или с другим слоем с образованием бифитанила (С40) в составе особых "монослойных" мембран, имеющих толщину 2.5—3.0 нм, которые характерны для архей, в отличие от типичных фосфодиэфирных (С18) "двуслойных" мембран бактерий. Уникальные липиды — макроциклический археол и трансмембранные калдархеол и нонитолкалдархеол, об-
наруженные только у архей, снижают проницаемость мембран в 10—17 раз, а наличие циклопентановых колец и фосфатидилинозита приводит к более компактной упаковке липидов, что уменьшает латеральную подвижность молекул в мембранах термофильных архей [13, 14]. У бактерий, растущих при высоких температурах, найдены такие модификации мембранных липидов, как ацилирование, насыщение, разветвление и (или) образование циклических структур углеводородных цепей [15].
ДНК и РНК гипертермофилов также обладают повышенной устойчивостью к высоким температурам [4, 11, 12, 16]. Устойчивость ДНК к денатурации в экстремальных условиях обитания архей может обеспечиваться положительно заряженными ДНК-связывающими белками — аналогами гистонов эу-кариот, полиаминами, относительно высоким содержанием нуклеотидных пар гуанин—цитозин (Г-Ц) и/или высокими внутриклеточными концентрациями солей. Клеточные полиамины, стабилизирующие как ДНК, так и вторичные структуры РНК у экстремофильных архей, разнообразны по структуре [9]. Путресцин (H2N—(CH2)4—NH2), линейные триамины спермидин (H2N—(CH2)3—NH— (CH2)4-NH2), норспермидин (H2N-(CH2)3-NH-(CH2)3—NH2) и гомоспермидин, тетраамины спермин (H2N-(CH2)3-NH-(CH2)4-NH-
(CH2)3—NH2) и норспермин, пента- и гексаамины, гуанидоамин агматин, четвертичный разветвленный пентаамин №-бис(аминопропил)спермидин и ацетилированный пентаамин распределены неравномерно в клетках различных родов архей, однако в целом их структурное разнообразие и относительное содержание превышают таковые у бактерий и эукариот [9]. Сравнительный анализ внутриклеточных полиаминов бактерий и архей, выделенных из мезофильных и гипертермофильных источников, показал, что некоторые полиамины (норспермин и норспермидин) встречаются только у гипертермофильных архей [17]. Причиной дополнительной стабилизации структуры ДНК гипертермофилов также может быть повышенное содержание пар Г-Ц, поскольку она более стабильна за счет дополнительной водородной связи по сравнению с парой аденин—тимин (А-Т). В результате исследования содержания Г-Ц в составе ДНК, 23S, 16S и 5S рРНК, а также тРНК установлена прямая корреляции между оптимальной температурой роста микроорганизмов (Гопт) и количеством пар Г-Ц в рРНК и тРНК, в то время как для ДНК такая корреляция не обнаружена [4, 18]. Альтернативным механизмом, стабилизирующими вторичную структуру молекулы ДНК, является ее ассоциация с катионными белками (HMf и Sac семейства, DNABPII), что приводит к дополнительной спирализованности ДНК и образова-
нию нуклеосом, а также наличие у всех гипертермофильных бактерий и архей АТФ-зависимой то-поизомеразы типа I (обратной гиразы) [19], за счет функционирования которой молекула ДНК имеет положительную направленность спирализации. Ряд авторов придерживается точки зрения, что наличие обратной гиразы у гипертермофильных ар-хей и есть истинный адаптивный механизм, обеспечивающий выживание микроорганизмов при высоких температурах. Однако в работе [9] показано, что удаление гена обратной гиразы у гипер-темофильной археи Ткегтососсш квёакагавтгз KOD1 не приводило к гибели А штамма при температурах роста до 90°С включительно.
Увеличение стабильности вторичной и третичной структур тРНК также достигается посттрансляционной модификацией нуклеозидов, причем ряд таких модификаций являются специфичными для архей [20]. Наиболее часто встречающейся модификацией является 2'-О-метилирование рибо-зы, причем степень метилирования увеличивается с ростом температуры среды обитания микроорганизмов. В клетках Ругососсиз/игош, растущих при температурах 70, 85 и 100°С [20] было обнаружено три модификации рибонуклеозидов, относительная доля которых увеличивалась по мере роста температуры, причем все модифицированные нуклеозиды были локализованы в участках молекулы тРНК, обеспечивающих ее конфор
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.