Deinococcus radiodurans

Deinococcus radiodurans
vetenskaplig klassificering
Domän:bakterieSorts:Deinococcus-ThermusKlass:Deinococci Garrity och Holt 2002Ordning:DeinococcalesFamilj:DeinococcaceaeSläkte:DeinococcusSe:Deinococcus radiodurans
Internationellt vetenskapligt namn
Deinococcus radiodurans ( ex Raj et al. 1960) Brooks och Murray 1981

Deinococcus radiodurans  (lat.)  - Gram -positiv , extremofil coccus av släktet Deinococcus . Det är en av de mest resistenta bakterierna mot verkan av joniserande strålning [1] . Det isolerades först från konserverat kött utsatt för gammastrålning för att studera möjligheten till sterilisering [2] . Beskrevs 1960 under namnet Micrococcus radiodurans [3] , överförd till det nyskapade släktet Deinococcus 1981 [4] . Metoder utvecklas för användning av Deinococcus radiodurans vid biologisk rening av radioaktivt avloppsvatten.

Biologiska egenskaper

Morfologi

Den färgas positivt enligt Grammetoden (även om cellväggen har en struktur som är typisk för gramnegativa bakterier [5] [6] ), en orörlig kocka med en diameter på 1,5–3,5 μm. På mikropreparat finns två eller oftare fyra celler som bildar tetrader. Bildar inte kapslar och sporer . Bildar ett rött pigment [7] .

Kulturella egenskaper

Chemoorganoheterotroph, obligat aerobe . Växer på enkla näringsmedier. På agar bildar näringsmedia släta, konvexa kolonier från rosa till rött [7] . Stammar av D. radiodurans har isolerats från en mängd olika substrat, från elefantspillning och jord till arktiska stenblock och ökensand [8] [9] , så det är omöjligt att tala om någon specifik livsmiljö för denna mikroorganism [10] .

Genom

En unik egenskap hos D. radiodurans- genomet är att varje cirkulär DNA- molekyl i genomet är representerad i flera kopior, och de bildar sammanflätade ringar tillsammans, varje ring innehåller flera kopior av en DNA-molekyl. En annan unik egenskap hos D. radiodurans är närvaron av RNA-ligaser som kan tvärbinda RNA-molekyler i RNA-DNA-hybridkomplexet [11] [12] . Genomet av D. radiodurans stam R1 representeras av fyra DNA-molekyler: två kromosomer och två plasmider  , en megaplasmid och en liten plasmid [13] . Flera plasmider är också kända för att påverka lysozymresistens och tillåten tillväxttemperatur [14] . Mikroorganismen har en naturlig kompetens att transformera främmande DNA [15] . Genomet av D. radiodurans är mycket nära det för Thermus aquaticus , och jämförelse av genom visar olika vägar till anpassning till termofilicitet och strålningstolerans [16] [17] .

Motstånd mot joniserande strålning

D. radiodurans är allmänt känt för sin höga motståndskraft mot strålning och är en av de mest strålningsresistenta organismerna i världen - D. radiodurans kan överleva vid en dos på upp till 10 000 Gy (för människor en dödlig dos av strålning) är 5 Gy, för Escherichia coli  - 2000 Gy). Förmodligen uppstod hög motståndskraft mot verkan av joniserande strålning som ett resultat av uppkomsten av resistens mot uttorkning, eftersom mekanismerna för DNA-skador, och följaktligen, motstånd mot strålning och uttorkning är likartade [18] , dessutom syntetiserar D. radiodurans den så kallade. LEA-proteiner som förhindrar proteinaggregation under torkning [19] .

Under lång tid var denna nivå av motståndskraft mot strålning inte väl förstått. Det är nu känt att D. radiodurans lagrar flera kopior av arvsmassan i en cell , packade i form av en torus eller ringar [20] , ytterligare kopior av arvsmassan gör det möjligt att exakt återställa genomet efter många enkel- och dubbel -tråden går av. Det visades också att minst två kopior av genomet under massiva dubbelsträngsbrott bildar ett komplett genom vid återassociering av de bildade DNA-fragmenten, sedan återsyntetiseras de skadade regionerna från homologa intakta sekvenser, med bildandet av en D-loop , varefter rekombination sker mellan homologa sekvenser genom RecA-beroende homolog rekombination. RecA D. radiodurans fungerar på ett sätt som är direkt motsatt det i E. coli-celler ; kanske är detta en av anledningarna till den extraordinära effektiviteten hos reparationssystemet D. radiodurans [21] . Förekomsten av ett speciellt protein som binder till enkelsträngat DNA och förmodligen spelar en roll för replikeringen av skadat DNA spelar också en viss roll för resistens mot strålning [22] Radioresistens påverkas även av syntesen av DdrA-proteinet, vilket säkerställer genomets integritet [23] . IrrE-proteinet, en regulator av recA -genuttryck, påverkar också nivån av motståndskraft mot strålning [24] . Mikroorganismen har ribonukleoproteiner , som även har en effekt på bakteriers motståndskraft mot ultraviolett strålning [25] . För att skydda mot oxidativ stress som åtföljer verkan av joniserande strålning använder D. radiodurans ett speciellt enzym tioredoxinreduktas [26] och syntetiserar även superoxiddismutas [27] .

Flera bakterier är kända för att vara jämförbara med D. radiodurans i strålningsresistens, inklusive vissa arter av Chroococcidiopsis ( cyanobacteria ) och Rubrobacter ( actinomycetes ); bland archaea har Thermococcus gammatolerans [28] liknande egenskaper .

Applikation

Strålningsbeständigheten D. radiodurans är unik, den är också mycket motståndskraftig mot ogynnsamma miljöförhållanden, vilket gör denna mikroorganism lämplig för biologisk behandling av radioaktivt avfall. Det finns studier om användningen av D. radiodurans vid biologisk behandling av radioaktiv kontaminering, inklusive sådana som innehåller lösta kvicksilverjoner [29] . 2003 visade amerikanska forskare att D. radiodurans kunde användas som ett informationslagringsmedium som kunde överleva en kärnvapenförintelse. De översatte låten " It's a Small World " till en  serie av 150 bp DNA-segment, infogade dem i bakterier och kunde producera dem utan fel 100 bakteriegenerationer senare [30] .

Anteckningar

  1. ↑ Rainey FA , ​​Ray K. , Ferreira M. , Gatz BZ , Nobre MF , Bagaley D. , Rash BA , Park MJ , Earl AM , Shank NC , Small AM , Henk MC , Battista JR , Kämpfer P. , da Costa MS Omfattande mångfald av joniserande strålningsresistenta bakterier som återvunnits från Sonoran Desert-jord och beskrivning av nio nya arter av släktet Deinococcus erhållna från ett enda jordprov.  (engelska)  // Tillämpad och miljömikrobiologi. - 2005. - Vol. 71, nr. 9 . - P. 5225-5235. - doi : 10.1128/AEM.71.9.5225-5235.2005 . — PMID 16151108 .
  2. ↑ Anderson AW, Nordan HC, Cain RF, Parrish G., Duggan D. Studies on a radio-resistant micrococcus. I. Isolering, morfologi, kulturella egenskaper och resistens mot gammastrålning // Food Technol. - 1956. - Nr 10 . - s. 575-577.
  3. ↑ Raj HD , Duryee FL , Deeney AM , Wang CH , Anderson AW , Elliker PR Utnyttjande av kolhydrater och aminosyror av Micrococcus radiodurans  //  Canadian journal of microbiology. - 1960. - Vol. 6. - s. 289-298. — PMID 14435920 .
  4. ↑ BW Brooks, RGE Murray. Nomenklatur för "Micrococcus radiodurans" och andra strålningsresistenta kocker: Deinococcaceae fam. nov. och Deinococcus gen. nov., inklusive fem arter . - 1981. - Vol. 31, nr 3 . - S. 353-360. - doi : 10.1099/00207713-31-3-353 .  (inte tillgänglig länk)
  5. ↑ Embley, T.M., A.G. O'Donnell, R. Wait, J. Rostron. Lipid- och cellväggsaminosyrasammansättning i klassificeringen av medlemmar av släktet Deinococcus. // Syst. Appl. Microbiol.. - 1987. - Nr 10 . - S. 20-27.
  6. ↑ Thornley MJ , Horne RW , Glauert AM Den fina strukturen hos Micrococcus radiodurans.  (engelska)  // Archiv fur Mikrobiologie. - 1965. - Vol. 51, nr. 3 . - s. 267-289. — PMID 5882498 .
  7. ↑ 12 Tim Lottman . "Deinococcus radiodurans" (inte tillgänglig länk) . Hämtad 28 december 2014. Arkiverad från originalet 26 mars 2009. 
  8. ↑ Ito H., Iizuka H., Takehisa M., Watanabe H. Isolering och identifiering av strålningsresistenta kocker som tillhör släktet Deinococcus från avloppsslam och djurfoder. // Agric Biol Chem.. - 1983. - Nr 47 . - P. 1239-1247.
  9. ↑ Krabbenhoft KL , Anderson AW , Elliker P. R. Ecology of Micrococcus radiodurans.  (engelska)  // Tillämpad mikrobiologi. - 1965. - Vol. 13, nr. 6 . - P. 1030-1037. — PMID 5866032 .
  10. ↑ Chan WF , O'Toole DK Isolering av Deinococcus-arter från kommersiellt ostronextrakt.  (engelska)  // Tillämpad och miljömikrobiologi. - 1999. - Vol. 65, nr. 2 . - s. 846-848. — PMID 9925627 .
  11. ↑ Martins A. , Shuman S. Ett RNA-ligas från Deinococcus radiodurans.  (engelska)  // The Journal of biological chemistry. - 2004. - Vol. 279, nr. 49 . - P. 50654-50661. - doi : 10.1074/jbc.M407657200 . — PMID 15333634 .
  12. ↑ Raymond A. , Shuman S. Deinococcus radiodurans RNA-ligas exemplifierar en ny ligasklad med en distinkt N-terminal modul som är viktig för 5'-PO4 nick-försegling och ligasadenylylering men dispenserbar för fosfodiesterbildning vid ett adenylylerat hack.  (engelska)  // Nukleinsyraforskning. - 2007. - Vol. 35, nr. 3 . - s. 839-849. doi : 10.1093 / nar/gkl1090 . — PMID 17204483 .
  13. ↑ White O. , Eisen JA , Heidelberg JF , Hickey EK , Peterson JD , Dodson RJ , Haft DH , Gwinn ML , Nelson WC , Richardson DL , Moffat KS , Qin H. , Jiang L. , Pamphile W. , Crosby M. , Shen M. , Vamathevan JJ , Lam P. , McDonald L. , Utterback T. , Zalewski C. , Makarova KS , Aravind L. , Daly MJ , Minton KW , Fleischmann RD , Ketchum KA , Nelson KE , Salzberg S. , Smith HO , Venter JC , Fraser CM Genomsekvens av den radioresistenta bakterien Deinococcus radiodurans R1.  (engelska)  // Science (New York, NY). - 1999. - Vol. 286, nr. 5444 . - P. 1571-1577. — PMID 10567266 .
  14. ↑ Kikuchi M. , Kitayama S. , Sjarief SH , Watanabe H. Plasmider i flera stammar av Deinococcus radiodurans.  (engelska)  // Strålningsforskning. - 1994. - Vol. 139, nr. 1 . - S. 123-125. — PMID 8016301 .
  15. ↑ BEB MOSELEY, JANE K. SETLOW. Transformation i Micrococcus radiodurans och den ultravioletta känsligheten hos dess transformerande DNA. . - 1968. - Vol. 61, nr 1 . - S. 176-183.
  16. ↑ Omelchenko MV , Wolf YI , Gaidamakova EK , Matrosova VY , Vasilenko A. , Zhai M. , Daly MJ , Koonin EV , Makarova KS Jämförande genomik av Thermus thermophilus och Deinococcus radiodurans: divergerande vägar för anpassning till termofi och strålningsmotstånd.  (engelska)  // BMC evolutionär biologi. - 2005. - Vol. 5. - P. 57. - doi : 10.1186/1471-2148-5-57 . — PMID 16242020 .
  17. ↑ Makarova KS , Aravind L. , Wolf YI , Tatusov RL , Minton KW , Koonin EV , Daly MJ Genomet av den extremt strålningsresistenta bakterien Deinococcus radiodurans sett ur perspektivet av jämförande genomik.  (engelska)  // Microbiology and molecular biology reviews : MMBR. - 2001. - Vol. 65, nr. 1 . - S. 44-79. - doi : 10.1128/MMBR.65.1.44-79.2001 . — PMID 11238985 .
  18. ↑ Mattimore V. , Battista JR Radioresistance of Deinococcus radiodurans: funktioner som är nödvändiga för att överleva joniserande strålning är också nödvändiga för att överleva upplevd uttorkning.  (engelska)  // Journal of bacteriology. - 1996. - Vol. 178, nr. 3 . - s. 633-637. — PMID 8550493 .
  19. ↑ Goyal K. , Walton LJ , Tunnacliffe A. LEA-proteiner förhindrar proteinaggregation på grund av vattenstress.  (engelska)  // The Biochemical journal. - 2005. - Vol. 388, nr. Pt 1 . - S. 151-157. - doi : 10.1042/BJ20041931 . — PMID 15631617 .
  20. ↑ Levin-Zaidman S. , Englander J. , Shimoni E. , Sharma AK , Minton KW , Minsky A. Ringliknande struktur hos Deinococcus radiodurans-genomet: en nyckel till radioresistens?  (engelska)  // Science (New York, NY). - 2003. - Vol. 299, nr. 5604 . - S. 254-256. - doi : 10.1126/science.1077865 . — PMID 12522252 .
  21. ↑ Kim JI , Cox MM RecA-proteinerna från Deinococcus radiodurans och Escherichia coli främjar utbyte av DNA-strängar via omvända vägar.  (engelska)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2002. - Vol. 99, nr. 12 . - P. 7917-7921. - doi : 10.1073/pnas.122218499 . — PMID 12048253 .
  22. ↑ Bernstein DA , Eggington JM , Killoran MP , Misic AM , Cox MM , Keck JL Kristallstruktur av Deinococcus radiodurans enkelsträngade DNA-bindande protein föreslår en mekanism för att hantera DNA-skada.  (engelska)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2004. - Vol. 101, nr. 23 . - P. 8575-8580. - doi : 10.1073/pnas.0401331101 . — PMID 15159541 .
  23. ↑ Harris DR , Tanaka M. , Saveliev SV , Jolivet E. , Earl AM , Cox MM , Battista JR Bevarande av genomintegritet: DdrA-proteinet från Deinococcus radiodurans R1.  (engelska)  // Public Library of Science Biology. - 2004. - Vol. 2, nr. 10 . — P. e304. - doi : 10.1371/journal.pbio.0020304 . — PMID 15361932 .
  24. ↑ Earl AM , Mohundro MM , Mian IS , Battista JR IrrE-proteinet från Deinococcus radiodurans R1 är en ny regulator av recA-uttryck.  (engelska)  // Journal of bacteriology. - 2002. - Vol. 184, nr. 22 . - P. 6216-6224. — PMID 12399492 .
  25. ↑ Chen X. , Quinn AM , Wolin SL Ro ribonukleoproteiner bidrar till motståndet hos Deinococcus radiodurans mot ultraviolett bestrålning.  (engelska)  // Gener och utveckling. - 2000. - Vol. 14, nr. 7 . - s. 777-782. — PMID 10766734 .
  26. ↑ Obiero J. , Bonderoff SA , Goertzen MM , Sanders DA . Uttryck, rening, kristallisering och preliminära röntgenkristallografiska studier av Deinococcus radiodurans thioredoxinreduktas.  (engelska)  // Acta crystallographica. Avsnitt F, Strukturbiologi och kristallisationskommunikation. - 2006. - Vol. 62, nr. Pt 8 . - s. 757-760. - doi : 10.1107/S1744309106024845 . — PMID 16880549 .
  27. ↑ Meng L. , Xu X. , Wang DL , Zhan L. , Pei XF Kloning och uttryck av superoxiddismutasgen från Deinococcus radiodurans i E. coli  (kinesiska)  // Sichuan da xue xue bao. Yi xue ban = Journal of Sichuan University. medicinsk vetenskaplig upplaga. - 2005. - Vol. 36,第2数. - S. 200-203. — PMID 15807266 .
  28. ↑ Cox MM , Battista JR Deinococcus radiodurans - den fulländade överlevaren.  (engelska)  // Naturrecensioner. mikrobiologi. - 2005. - Vol. 3, nr. 11 . - s. 882-892. - doi : 10.1038/nrmicro1264 . — PMID 16261171 .
  29. ↑ Brim H. , McFarlan SC , Fredrickson JK , Minton KW , Zhai M. , Wackett LP , Daly MJ Engineering Deinococcus radiodurans för metallsanering i miljöer med radioaktivt blandat avfall.  (engelska)  // Nature biotechnology. - 2000. - Vol. 18, nr. 1 . - S. 85-90. - doi : 10.1038/71986 . — PMID 10625398 .
  30. ↑ McDowell, Natasha . Data lagrad i multiplicerande bakterier  (8 januari 2003). Arkiverad från originalet den 7 oktober 2011. Hämtad 1 april 2011.

Länkar