Cesko.wiki Thermus aquaticus
Author
Albert FloresThermus aquaticus je aerobní gramnegativní bakterie z kmene Deinococcus-Thermus. Z metabolického hlediska se řadí mezi heterotrofy a navíc, protože je odolná k vysokým teplotám, označuje se také jako termofilní. Byla objevena ve vřídlech v Yellowstonském národním parku.
Z této bakterie bylo izolováno množství různých termostabilních enzymů používaných ve výzkumu. Velmi známá je její tzv. +more Taq polymeráza (její DNA polymeráza, tedy bakteriálního typu), která se užívá v metodě známé jako PCR. Mimoto z této bakterie také pochází ribozomy, které byly podrobeny krystalografii, čímž byla poprvé zjištěna prostorová struktura 70S ribozomů.
Výskyt
Thermus aquaticus se vyskytuje ve vodě a v půdě v hypertermálním prostředí. Prvně byl izolován Thomasem D. +more Brockem v 60. letech minulého století z horkého pramene v Yellowstoneském národním parku v Kalifornii v U. S. A. Izolován byl i z umělého prostředí, z horké kohoutkové vody, v oblastech vzdálených od přírodních pramenů. Před tímto objevem mikrobiologové kultivovali mikrobiologové termofilní mikroorganismy při 55 °C, vyšší teploty byly nemyslitelné a mělo se za to, že organismy více nepřežijí. Ale Thomas Brock si uvědomil, že jím studované mikroorganismy budou potřebovat vyšší teploty, podobné těm v horkých pramenech, tedy v přirozeném prostředí. Díky této změně teploty byl schopen kultivovat i Thermus aquaticus.
Charakteristika
Thermus aquaticus je gramnegativní termofilní bakterie. Je nesporolující a nepohyblivá. +more Tato bakterie má tvar tyčinky. Její délka je až 10 µm, průměr asi 0,5 až 0,8 µm. V nepříznivých podmínkách, při suboptimální teplotě, tvoří dlouhá vlákna o délce až 200 µm. Tyčinky se vyskytují jednotlivě, ale za určitých podmínek i v agregátech, kdy bakterie utvoří tělíska kulovitého tvaru. Tělíska se vyskytují v nemíchaných kulturách ve stacionární fázi nebo na pevném médiu po dlouhé inkubační době. Vzhled kolonií, které bakterie tvoří na pevném médiu, velmi závisí na kultivačních podmínkách. Jsou koherentní, hladké i drsné.
Teplotní optimum se nachází okolo 70 °C, maximum kolem 79 °C a minimum kolem 40 °C. Generační doba za optimálních podmínek je 50 min. +more Odolnost proti vysokým teplotám zajišťuje, kromě jiného, vysoký obsah GC párů v DNA, který činí přes 65 %. U druhů Thermus thermophilus se obsah blíží 70 %. Optimální pH je mezi hodnotami 7,5 a 7,8.
Thermus aquaticus je poměrně citlivý na antibiotika, růst je inhibován už při nízkých koncentracích (10 µl/ml) streptomycinu, penicilinu, chloramfenikolu a dalších.
Produkuje žlutooranžové pigmenty, které způsobují zabarvení horkých vřídel a jezer. Díky tomuto zabarvení si údajně jezer všiml i Thomas Brock, kterému barevnost připomínala barvy z jeho laboratoře. +more Tyto pigmenty patří do skupiny karotenoidů a tvoří až 60 % všech membránových lipidů. Většina jich je velmi polárních. Dalších 30 % lipidů membrány tvoří fosfolipidy. V membráně se vyskytuje i vitamín K. Při rozdílných kultivačních teplotách se obsah lipidů v membráně zvyšuje. Mezi teplotami 50 a 75 °C se obsah fosfolipidů zvýšil dvakrát a karotenoidů 1,8x. Obsah vitamínu K se nezměnil.
Živí se chemoheterotrofně, oxiduje tedy anorganické látky. Nebyly nalezena žádné zásobní látky glykogenu nebo poly-β-hydroxybutyrátu.
Thermus aquaticus je nutričně nenáročný, jako zdroj uhlíku dokáže utilizovat glukosu, glutamát, acetát, β-hydroxybutyrát, pyruvát nebo glycerol. Jako jediný z rodu dokáže utilizovat i malát. +more Jako zdroj dusíku může složit glutamát nebo amonné ionty.
Je to obligátní aerob. Ačkoli jeden kmen, konkrétně Thermus aquaticus Y51MC23, je výjimkou a roste anaerobně. +more Genom tohoto kmene byl sekvenován, obsahuje chromosom o délce 2,15 Mb a čtyři plasmidy o délkách 11, 14, 70 a 79 kb, kóduje přes 2500 proteinů.
Sekvence genomu Thermus parvatiensis ukázala, že obsahuje chromosom o délce 1,87 Mbp a plazmid o délce 143 kbp. Porovnávací studie genomu napříč rodem Thermus na základě sekvenování 16S rRNA a konzervovaných genů (31 a 400) objevila téměř 1200 konzervovaných genů. +more Genom rodu je tedy zčásti konzervovaný, ale zároveň i variabilní. V genomu se též vyskytují CRISPR místa. Byl nalezen i důkaz o horizontálním přenosu genů, což reflektuje snahu o stálou optimalizaci přizpůsobením se vnějším extrémním podmínkám.
Rozmnožuje se nepohlavně, dělením.
Biotechnologické využití
Z bakterie Thermus aquaticus se využívají hlavně enzymy a jejich neobvyklá vlastnost - termostabilita. Objev tohoto mikroorganismu T. +more Brockem potvrdil důležitost základního výzkumu, Yellowstoneská horká vřídla nebyla zkoumána za účelem získat termostabilní enzymy. Přesto tento objev změnil biotechnologický svět.
Jeden z termostabilních enzymů izolovaných z Thermus aquaticus je např. aminopeptidasa T (AP-T). +more AP-T odštěpuje aminokyseliny (všechny kromě prolinu) z N-konce peptidů se širokou substrátovou specifitou. Preferuje peptidy obsahují hydrofobní aminokyseliny, jako je leucin, valin nebo fenylalanin. Hydrofobní konce proteinů jsou problémové v potravinářství, způsobují hořkou příchuť potravin. AP-T tyto peptidy, které se vyskytují v trypsinových hydrolyzátech kaseinu, hydrolyzuje, a snižuje tak jejich hořkost.
Ale zřejmě nejvíce užívaný enzym izolovaný z Thermus aquaticus je DNA polymerasa (EC 2. 7. +more7. 7). Poprvé byla izolována několik let po objevení této termofilní bakterie. Bylo zjištěno, že její teplotní optimum je 80 °C, nemá fosfodiesterasovou ani jednořetězcovou exonukleasovou aktivitu. Ke své aktivitě potřebuje Mg2+ ionty, za přítomnosti Mn2+ iontů je míra aktivity nižší. Jednomocné ionty do koncentrací 0,1 M její aktivitu neinhibují. Optimální pH je 8,0. Od DNA polymerasy I izolované z Escherichia coli, jejího homologu, ji odlišuje hlavně teplotní optimum, ale i malá velikost.
Termostabilní DNA polymerasa je využívána v polymerázové řetězové reakci (PCR). Tu vymyslel Kary Banks Mullis, dostal revoluční nápad, jak namnožit krátký úsek DNA, který ohraničují vybrané primery, na mnoho kopií. +more Za tento nápad získal od svého zaměstnavatele odměnu 10 tisíc dolarů, společnost pak tento patent prodala za 300 milionů dolarů. Mullis za nápad na PCR dostal v roce 1993 Nobelovu cenu za chemii. Nápad dostal údajně při cestě autem s partnerkou do svého srubu v severní Kalifornii, když projížděli kolem Yellowstoneského parku.
PCR sestává ze tří kroků, které se opakují dokola, běžný počet opakování je okolo třiceti. Prvním krokem je denaturace DNA, při které dochází k rozvolnění dvouřetězcové šroubovice DNA za teploty vyšší než 90 °C. +more Ve druhém kroku na rozvolněné vlákno nasedají primery, při teplotě okolo 55 °C. Posledním krokem je elongace vybraného úseku DNA polymerasou, která probíhá při teplotě přes 70 °C. Velkým problém této reakce byl první krok, při kterém teplota dosahuje 90 °C a více. Při této teplotě běžné enzymy denaturují a ztrácí svou biologickou aktivitu. DNA polymerasa tedy musela být v každém cyklu připipetována. Tento problém ale právě vyřešila termostabilní DNA polymerasa z bakterie Thermus aquaticus, Taq polymerasa.
Taq polymerasa má 5´→3´ exonukleasovou aktivitu, ale 3´→5´ exonukleasovou aktivitu postrádá, chybí ji tedy tzv. proofreading a produkty PCR obsahují chyby. +more Proto se někdy nahrazuje jinými polymerasami, které jsou schopné i proofreadingu.