Deinococcus radiodurans

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Skoči na: navigacija, iskanje
Deinococcus radiodurans
tetrada D. radiodurans
tetrada D. radiodurans
Znanstvena klasifikacija
Kraljestvo: Bacteria (bakterije)
Deblo: Deinococcus-Thermus
Razred: Deinococci
Red: Deinococcus
Rod: Deinococcus
Vrsta: D. radiodurans
Znanstveno ime
Deinococcus radiodurans
Brooks & Murray, 1981

Deinococcus radiodurans je ekstremofilna bakterija iz rodu Deinococcus. Trenutno velja za najbolj odpornega organizma proti radioaktivnem sevanju, poleg tega pa lahko kljubuje mrazu in dehidraciji ter prebiva v kislem okolju in v vakuumu; s tega vidika je bakterija poliekstremofil. V Guinnessovo knjigo rekordov je vpisana kot najbolj odporna bakterija na svetu.[1]

Etimologija[uredi | uredi kodo]

Prvotno znanstveno ime bakterije je bilo Micrococcus radiodurans, pozneje pa je bila preimenovana v Deinococcus radiodurans. Ime izhaja iz grških besed deinós - strašen in kókkos - zrnce, jedro ter latinskih besed radius - žarek oziroma predpone radio- (kar se nanaša na radioaktivnost) ter durus - trd. Zaradi izjemne odpornosti proti zunanjim dejavnikom je bakterija dobila vzdevek »Konan Bakterija«, po fantazijskem liku Konanu Barbaru.[2]

Zgodovina[uredi | uredi kodo]

D. radiodurans je leta 1956 odkril A.W. Anderson v Oregonu med raziskovanje možnosti uporabe žarkov gama za sterilizacijo konzervirane hrane.[3] Celotno zaporedje DNK genoma bakterije je leta 1999 objavil Inštitut za raziskave genoma (TIGR) v Marylandu v ZDA.[4]

Splošen opis[uredi | uredi kodo]

D. radiodurans je dokaj velika okrogla bakterija s premerom od 1,5-3,5 µm. Navadno se štiri bakterije združijo skupaj in tako tvorijo tetrado. Bakterije se goji (kultivira) relativno lahko in ne povzročajo okužb.[4] Kolonije so gladke, izbočene in roza do rdeče barve. Same celice se obarvajo kot Grampozitivne bakterije, čeprav je celični ovoj za slednje dokaj nenavaden in spominja bolj na celično steno Gramnegativnih bakterij.[5]

Bakterija ne tvori endospor in ni mobilna. Je obligativni aerob, kar pomeni da nujno potrebuje kisik za celično dihanje in s tem za proizvodnjo energije v obliki adenozin trifosfata (ATP), ter kemoorganoheterotrof, kar pomeni, da ogljikov dioksid (CO2) pridobiva iz okolja (heterotrof), energijo pa iz oksidacije organskih snovi (kemo- in organotrof). V skladu s tem je pogosto prisotna v okolju, bogatem z organskimi snovmi, kot so tla, feces, meso in kanalizacija, izolirana pa je bila tudi iz suhe hrane, prahu, medicinskih pripomočkov in tekstila.[5] Optimalna temperatura za rast je od 30-37 °C.[6]

Genom bakterije je sestavljen iz dveh krožnih kromosomov, pri čemer je eden dolg 2,65 milijonov baznih parov (bp), drugi pa okoli 412.000 bp, ter iz megaplazmida s 177.000 bp in manjšega plazmida z 46.000 bp. V mirovanju vsebuje štiri kopije genoma, v aktivni fazi, tj. celični delitvi, pa od 8-10 kopij.[7] Celoten genom vsebuje okoli 3.250 genov.[8]

Radioaktivna odpornost[uredi | uredi kodo]

D. radiodurans je sposobna prenesti akutno dozo do 5.000 Gy ionizirajočega sevanja brez izgube življenjskih funkcij in akutno dozo do 15.000 Gy s 37 % preživetja.[6]

Evolucijski vidik[uredi | uredi kodo]

Eno od trenutnih bistvenih vprašanj je, zakaj je bakterija sploh razvila tako visoko odpornost proti radioaktivnem sevanju. Naravno sevanje (t. i. radioaktivno ozadje), ki ga povzročajo kozmični žarki in naravni radioaktivni elementi v okolju, je namreč povečini zelo nizko, tj. v povprečju 0,4 mGy na leto, največje do zdaj izmerjeno sevanje pa znaša 175 mGy na leto v obalnem mestu Guarapara v Braziliji. To torej pomeni, da je pri organizmih verjetnost za razvoj obrambnih mehanizmov proti radioaktivnosti dokaj majhna pri relativno nizki vrednosti sevanja.

Bilo je predlagano, da se je tovrstna odpornost razvila kot stranski mehanizem za obrambo pred daljšo izsušitvijo. Dokazano je bilo, da so mutantne bakterije, ki so občutljive na radioaktivno sevanje, občutljive tudi na izsušitev, medtem ko so naravni tipi odporni na oboje.[9] Bakterije vsebujejo posebne proteine LEA (angleško Late Embryogenesis Abundant), ki ščitijo pred poškodbami zaradi izsušitve preko preprečevanja agregacije proteinov, delovali pa naj bi kot šaperoni.[10][11]

Nekateri znanstveniki so mnenja, da naj bi se odpornost razvila na Marsu, na Zemljo pa naj bi se bakterije prenesle preko meteorita. Temu nasprotuje dejstvo, da je bakterija v genetskem in biokemijskem smislu zelo podobna ostalim kopenskim organizmom.[12]

Mehanizmi odpornosti[uredi | uredi kodo]

Odpornost D. radiodurans je pravzaprav vsota različnih pasivnih fizioloških lastnosti bakterije ter aktivnih mehanizmov, tj. DNK popravljalnih encimov.[6]

K pasivni zaščiti spadajo večje število kopij genoma, organizacija DNK v toroide, ki morda prispevajo k popravljanju,[13] visoka koncentracija manganovih kationov (Mn2+), ki delujejo kot antioksidanti[14] ter uravnavanje (regulacija) celičnih odzivov (npr. inhibicija podvajanja DNK),[6] pa tudi dušikov oksid (NO), ki je potreben pri okrevanju bakterije po izpostavitvi sevanju.[15]

Aktivno popravljanje dvojnih prelomov DNK s pomočjo encimov poteka v dveh fazah. V prvi fazi poteka specifičen proces, imenovan sintezno-odvisno verižno prileganje (angleško synthesis-dependent strand annealing ali SDSA), pri katerem eden od dveh 3` koncev poišče homologno zaporedje na sestrski vijačnici druge kopije genoma in jo razpre, preostali prosti 3` konec pa se prav tako veže na homologno zaporedje, nakar poteče sinteza DNK verige. Novonastala konca, ki se drug drugemu prilegata, oddisociirata od sestrske vijačnice in se med sabo homologno povežeta, mankajoča mesta v vijačnici pa se do konca dopolnijo. V drugi fazi se aktivira drugi popravljalni mehanizem, rekombinaza A (RecA)-odvisna homologna rekombinacija. Pri tem je potrebno omeniti, da se vsi vključeni proteini (DNK-polimeraza I, rekombinaze, SSB proteini) razlikujejo od tistih v drugih bakterijah v določenih podrobnostih; SSB (angleško single strand binding) protein je npr. bolj aktiven od tistega v E. coli. Poleg tega obstajajo tudi drugi posebni proteini, kot npr. protein DdrA, ki se veže na prosti 3` konec in ga ščiti pred eksonukleazami, ter proteini, ki stabilizirajo fragmente, nastalih zaradi dvojnih prelomov, in tako preprečijo ločitve teh fragmentov ter možnost napačnih vezav pri popravljanju. Vse to omogoča bakteriji, da popravi DNK brez kakršnihkoli napak v zaporedju.[6][16]

Uporaba[uredi | uredi kodo]

Bakterije rodu Deinococcus so bile genetsko spremenjene za uporabo v bioremediaciji, tj. obdelovalnem postopku, pri katerih mikroorganizmi spremenijo okoljsko onesnaževanje (npr. zaradi težkih kovin ali karcinogenov) v tleh, podtalnici in sedimentih do neškodljivih končnih produktov, tudi v radioaktivnem okolju. Gen za reduktazo, ki oksidira živosrebrove ione, je bil izoliran iz E. coli in prenesen v te bakterije za razstrupljenje (detoksifikacijo) ostankov živega srebra, ki so pogosto prisotni v radioaktivnih odpadkih, nastalih pri proizvodnji jedrskega orožja.[17]

Leta 2003 so znanstveniki demonstrirali uporabo D. radiodurans kot sredstvo za zapis pomembnih podatkov v primeru jedrske katastrofe. Pesem It's a Small World so prevedli v serijo DNK segmentov, dolgih 150 baznih parov, in jih vstavili v bakterijo. Izvorno informacijo, tj. besedilo pesmi, so uspeli izolirati brez napak pri 100. generaciji bakterij.[18]

Glej tudi[uredi | uredi kodo]

Sklici in opombe[uredi | uredi kodo]

  1. ^ DeWeerdt, S. The World’s Toughest Bacterium. Genome News Network. Pridobljeno 31.12.2009.
  2. ^ Huyghe, P. (1998). "Conan the Bacterium" (PDF). The Sciences (New York Academy of Sciences): 16–19. 
  3. ^ Anderson, A.W.; s sod. (1956). "Studies on a radio-resistant micrococcus - I.) Isolation, morphology, cultural characteristics, and resistance to gamma radiation". Food Technol. 10 (1): 575–577. 
  4. ^ 4,0 4,1 Makarova, K.S.; s sod. (2001). "Genome of the extremely radiation-resistant bacterium Deinococcus radiodurans viewed from the perspective of comparative genomics". Microbiology and molecular biology reviews 65 (1): 44–79. doi:10.1128/MMBR.65.1.44-79.2001. PMID 11238985. 
  5. ^ 5,0 5,1 Battista, J.R. (1997). "Against all odds: the survival strategies of Deinococcus radiodurans" (PDF). Annual review of microbiology 51: 203–24. doi:10.1146/annurev.micro.51.1.203. PMID 9343349. 
  6. ^ 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 Cox, M.M.; Battista, J.R. (2005). "Deinococcus radiodurans — the consummate survivor" (PDF). Nature reviews. Microbiology 3 (11): 882–92. doi:10.1038/nrmicro1264. PMID 16261171. 
  7. ^ White, O.; s sod. (1999). "Genome sequence of the radioresistant bacterium Deinococcus radiodurans R1". Science 286 (5444): 1571–7. PMID 10567266. 
  8. ^ Deinococcus radiodurans R1 Genome Page. Comprehensive Microbial Resource (CMR). Pridobljeno 01.01.2010.
  9. ^ Mattimore, V. & Battista, J.R. (1996). "Radioresistance of Deinococcus radiodurans: functions necessary to survive ionizing radiation are also necessary to survive prolonged desiccation". Journal of Bacteriology 178 (3): 633–637. PMID 8550493. 
  10. ^ Goyal K., Walton L.J. in Tunnacliffe A. (2005). "LEA proteins prevent protein aggregation due to water stress". Biochemical Journal 388 (Pt 1): 151–157. doi:10.1042/BJ20041931. PMID 15631617. 
  11. ^ Battista JR, Park MJ, McLemore AE (2001). "Inactivation of two homologues of proteins presumed to be involved in the desiccation tolerance of plants sensitizes Deinococcus radiodurans R1 to desiccation". Cryobiology 43 (2): 133–139. doi:10.1006/cryo.2001.2357. PMID 11846468. 
  12. ^ Pavlov, A.K. s sod., (2006). "Was Earth ever infected by martian biota? Clues from radioresistant bacteria" (PDF). Astrobiology 6 (6): 911–918. doi:10.1089/ast.2006.6.911. PMID 17155889. 
  13. ^ Levin-Zaidman, S. s sod. (2003). "Ringlike structure of the Deinococcus radiodurans genome: a key to radioresistance?". Science 299 (5604): 254–256. doi:10.1126/science.1077865. PMID 12522252. 
  14. ^ Daly, M.J.; s sod. (2007). "Protein Oxidation Implicated as the Primary Determinant of Bacterial Radioresistance". PLoS Biology 5 (4): e92 EP –. doi:10.1371/journal.pbio.0050092. 
  15. ^ Ramanujan, K. »Research reveals key to world's toughest organism«. 19. oktober 2009, Physorg.com.
  16. ^ Zahradka, K. s sod. (2006). "Reassembly of shattered chromosomes in Deinococcus radiodurans" (PDF). Nature 443 (7111): 569–573. doi:10.1038/nature05160. PMID 17006450. 
  17. ^ Brim, H. s sod. (2000). "Engineering Deinococcus radiodurans for metal remediation in radioactive mixed waste environments" (PDF). Nature Biotechnology 18 (1): 85–90. doi:10.1038/71986. PMID 10625398. 
  18. ^ »Data stored in multiplying bacteria«, 8. januar 2003, New Scientist.

Zunanje povezave[uredi | uredi kodo]