Deinococcus radiodurans

? Deinococcus radiodurans
Deinococcus radiodurans
Научная классификация
Царство: Бактерии Тип: Deinococcus-Thermus Класс: Deinococci Порядок: Deinococcales Семейство: Deinococcaceae Род: Deinococcus Вид: Deinococcus radiodurans
Латинское название
Deinococcus radiodurans (ex Raj et al. 1960) Brooks et Murray, 1981
Систематика на Викивидах Изображения на Викискладе NCBI 1299

Deinococcus radiodurans — грамположительный, экстремофильный кокк рода Deinococcus. Является одной из самых устойчивых бактерий к действию ионизирующего излучения^[1]. Впервые был выделен из консервированного мяса, подвергнутого действию гамма-излучения с целью изучения возможности стерилизации^[2]. Описан в 1960 г. под названием Micrococcus radiodurans^[3], переведён во вновь созданный род Deinococcus в 1981 г. ^[4]. Разрабатываются способы использования Deinococcus radiodurans в биоочистке радиоактивно неблагополучных сточных вод.

Биологические свойства

Морфология

Окрашивается по методу Грама положительно (хотя клеточная стенка имеет строение, типичное для грамотрицательных бактерий^[5][6]), неподвижный кокк диаметром 1,5—3,5 мкм. На микропрепаратах располагается по две или чаще четыре клетки, образуя тетрады. Не образует капсул и спор. Образует красный пигмент^[7].

Культуральные свойства

Хемоорганогетеротроф, облигантный аэроб. Растёт на простых питательных средах. На агаризованных питательных средах образует гладкие, выпуклые колонии от розового до красного цвета^[8]. Штаммы D. radiodurans выделялись из большого разнообразия субстратов: от помёта слонов и почвы до арктических глыб и песков пустынь^[9][10], поэтому нельзя говорить о каком-либо специфическом местообитании этого микроорганизма^[11].

Геном

Уникальной особенностью генома D. radiodurans является то, что каждая кольцевая молекула ДНК генома представлена в нескольких копиях и образуют вместе переплетённые кольца, каждое кольцо содержит по нескольку копий одной молекулы ДНК^[12]. Другой уникальной особенностью D. radiodurans является наличие РНК-лигаз, способных сшивать молекулы РНК в гибридном комплексе РНК-ДНК^[13][14]. Геном D. radiodurans штамма R1 представлен четырьмя молекулами ДНК: двумя хромосомами и двумя плазмидами — мегаплазмидой и малой плазмидой^[15]. Хромосома 1 D. radiodurans представляет собой кольцевую двуцепочечную молекулу ДНК размером 2648638 п.н., которая содержит 2687 генов, из которых 2629 кодируют белки^[16]. Хромосома 2 меньше размерами (412348 п.н.) и содержит 369 генов, из которых 368 кодируют белки^[17]. Мегаплазмида MP1 является двуцепочечной кольцевой молекулой ДНК размером 177466 п.н. и содержит 148 генов, из которых 145 кодируют белки^[18]. Плазмида CP1 представлена кольцевой двуцепочечной молекулой ДНК размером 45704 п.н. и содержит 40 генов, из которых 39 кодируют белки^[19]. Известно также несколько плазмид, влияющих на резистентность к лизоциму и допустимую температуру роста^[20]. Микроорганизм имеет естественную компетентность к трансформации чужеродной ДНК^[21]. Геном D. radiodurans весьма близок к геному Thermus aquaticus и сравнение геномов показывает дивергентные пути к адаптации к термофильности и устойчивости к радиации^[22][23].

Устойчивость к действию ионизирующих излучений

D. radiodurans широко известен своей высокой устойчивостью к действию радиации, являясь одним из самых устойчивых к действию радиации организмов в мире — D. radiodurans способен выживать при дозе до 10000 Грей. (для человека летальная доза радиации 5 Гр., для Escherichia coli — 2000 Гр)^[24]. Предположительно, высокая устойчивость к действию ионизирующего излучения возникла как следствие возникновения устойчивости к высушиванию, так как механизмы повреждения ДНК, а следовательно и устойчивости к радиации и высушиванию сходны^[25], к тому же D. radiodurans синтезирует т. н. LEA-белки, предотвращающие агрегацию белков во время высушивания^[26].

Долгое время такой уровень устойчивости к действию радиации был не совсем понятен. Сейчас известно, что D. radiodurans хранит в клетке по нескольку копий генома, упакованных в виде тора или колец^[27], дополнительные копии генома позволяют в точности восстановить геном после многочисленных одно- и двуцепочечных разрывов. Было также показано, что как минимум две копии генома при массированных двуцепочечных разрывах образуют полный геном при реассоциации образовавшихся фрагментов ДНК, затем идёт ресинтез поврежденных участков с гомологичных неповреждённых последовательностей, при этом образуется D-петля, после этого происходит рекомбинация между гомологичными последовательностями путём RecA-зависимой гомологичной рекомбинации^[28]. RecA D. radiodurans может экспрессироваться только в клетках своего вида, для E.coli, например, он оказывает летальное действие^[29]. Определённую роль в резистентности к действию радиации оказывает также присутствие особого белка, связывающегося с одноцепочечной ДНК и предположительно играющего роль в репликации повреждённой ДНК^[30], на радиорезистентность влияет также синтез белка DdrA, обеспечивающего целостность генома^[31]. Белок IrrE, регулятор экспрессии гена recA влияет также на уровень устойчивости к действию радиации^[32]. Микроорганизм имеет рибонуклеопротеины, также оказывающие действие на устойчивость бактерии к ультрафиолетовому облучению^[33]. Для защиты от окислительного стресса, сопровождающего действие ионозирующего излучения D. radiodurans использует особый фермент тиоредоксин редуктазу^[34], а также синтезирует супероксиддисмутазу^[35].

Известно несколько бактерий, сравнимых с D. radiodurans по устойчивости к радиации, включая некоторые виды Chroococcidiopsis (цианобактерии) и Rubrobacter (Актиномицеты); среди археев, подобными же свойствами обладает Thermococcus gammatolerans^[36].

Применение

Устойчивость к действию радиации D. radiodurans уникальны, микроорганизм также весьма устойчив к неблагоприятным условиям окружающей среды, что делает этот микроорганизм пригодным для биоочистки радиоктивных отходов. Есть исследования по применению D. radiodurans в биоочистке радиоактивных загрязнений, в том числе содержащие растворённые ионы ртути^[37]. В 2003 году американские ученые показали, что D. radiodurans может быть использован в качестве средства хранения информации, которое может пережить ядерную катастрофу. Они перевели песню Это маленький мир (It's a Small World ) в ряд сегментов ДНК длиной в 150 пар нуклеотидов, внедрили их в бактерии, и были в состоянии получить их без ошибок 100 бактериальных поколений спустя^[38].

Примечания

1. ↑ Extensive Diversity of Ionizing-Radiation-Resistant Bacteria Recovered from Sonoran Desert Soil and Description of Nine New Species of the Genus Deinococcus Obtained from a Si …
2. ↑ Anderson A W, Nordan H. C., Cain R. F., Parrish G., Duggan D. Studies on a radio-resistant micrococcus. I. Isolation, morphology, cultural characteristics, and resistance to gamma radiation// Food Technol. 1956 № 10 Р. 575—577
3. ↑ Raj H.D., Duryee F.L., Deeney A.M., Wang C.H., Anderson A.W., Elliker P.R. Utilization of carbohydrates and amino acids by Micrococcus radiodurans.// Can. J. Microbiol., 1960 #6 P/ 289—298
4. ↑ Nomenclature for «Micrococcus radiodurans» and Other Radiation-Resistant Cocci: Deinococcaceae fam. nov. and Deinococcus gen. nov., Including Five Species — BROOKS and MURRAY …
5. ↑ Embley, T. M., A. G. O’Donnell, R. Wait, and J. Rostron. Lipid and cell wall amino acid composition in the classification of members of the genus Deinococcus.// Syst. Appl. Microbiol. 1987. № 10 Р. 20-27
6. ↑ The fine structure of Micrococcus radiodurans. [Arch Mikrobiol. 1965] — PubMed result
7. ↑ Deinococcus_radiodurans | 2can Support Portal | EBI
8. ↑ <http://www.biology.lsu.edu/webfac/jbattista/publications/downloads/Against_All_Odds.pdf/
9. ↑ Ito H, Iizuka H, Takehisa M, Watanabe H. Isolation and identification of radiation-resistant cocci belonging to genus Deinococcus from sewage sludges and animal feeds// Agric Biol Chem., 1983 № 47 Р. 1239—1247
10. ↑ Ecology of Micrococcus radiodurans. [Appl Microbiol. 1965] — PubMed result
11. ↑ Isolation of Deinococcus Species from Commercial Oyster Extract
12. ↑ http://www.biochem.wisc.edu/faculty/cox/lab/publications/pdfs/cox_battista05.pdf
13. ↑ An RNA Ligase from Deinococcus radiodurans — JBC
14. ↑ Deinococcus radiodurans RNA ligase exemplifies a novel ligase clade with a distinctive N-terminal module that is important for 5'-PO4 nick sealing and ligase adenylylation but …
15. ↑ Genome sequence of the radioresistant bacterium De… [Science. 1999] — PubMed result
16. ↑ uid=144 Genome Result
17. ↑ uid=145 Genome Result
18. ↑ uid=15154 Genome Result
19. ↑ uid=15155 Genome Result
20. ↑ http://www.jstor.org/pss/3578742
21. ↑ Transformation in Micrococcus radiodurans and the ultraviolet sensitivity of its transforming DNA — PNAS
22. ↑ BioMed Central | Full text | Comparative genomics of Thermus thermophilusand Deinococcus radiodurans: divergent routes of adaptation to thermophily and radiation resistance
23. ↑ Genome of the Extremely Radiation-Resistant Bacterium Deinococcus radiodurans Viewed from the Perspective of Comparative Genomics — Makarova et al. 65 (1): 44 — Microbiology a …
24. ↑ Deinococcus Radiodurans - Latest Research
25. ↑ Radioresistance of Deinococcus radiodurans: functions necessary to survive ionizing radiation are also necessary to survive prolonged desiccation — Mattimore and Battista 178 …
26. ↑ Biochem. J. (2005) 388, 151—157 — K. Goyal, L.J. Walton and A. Tunnacliffe — LEA proteins prevent protein aggregation due to water stress
27. ↑ Ringlike Structure of the Deinococcus radiodurans Genome: A Key to Radioresistance? — Levin-Zaidman et al. 299 (5604): 254 — Science
28. ↑ net.net — One of the Internet’s premiere addresses
29. ↑ Expression of recA in Deinococcus radiodurans — Carroll et al. 178 (1): 130 — The Journal of Bacteriology
30. ↑ Crystal structure of the Deinococcus radiodurans single-stranded DNA-binding protein suggests a mechanism for coping with DNA damage — PNAS
31. ↑ PLoS Biology: Preserving Genome Integrity: The DdrA Protein of Deinococcus radiodurans R1
32. ↑ The IrrE Protein of Deinococcus radiodurans R1 Is a Novel Regulator of recA Expression — Earl et al. 184 (22): 6216 — The Journal of Bacteriology
33. ↑ Ro ribonucleoproteins contribute to the resistance of Deinococcus radiodurans to ultraviolet irradiation — Genes & Development
34. ↑ Expression, purification, crystallization and prel… [Acta Crystallogr Sect F Struct Biol Cryst Commun. 2006] — PubMed result
35. ↑ [Cloning and expression of superoxide dismutase ge… [Sichuan Da Xue Xue Bao Yi Xue Ban. 2005] — PubMed result
36. ↑ Cox, Michael M; John R Battista (2005-11). «Deinococcus radiodurans — the consummate survivor» (PDF). Nature reviews. Microbiology 3 (11): 882–92. DOI:10.1038/nrmicro1264. PMID 16261171.
37. ↑ Engineering Deinococcus radiodurans for metal reme… [Nat Biotechnol. 2000] — PubMed result
38. ↑ McDowell, Natasha. Data stored in multiplying bacteria (8 января 2003). Проверено 1 апреля 2011.

Чудо-бактерия может справиться с болезнями века

Ссылки

• Deinococcus radiodurans
• Deinococcus Brooks and Murray 1981, gen. nov.
• Deinococcus radiodurans R1 Genome Page
• Deinococcus radiodurans Taxonomy ID: 1299
• Deinococcus radiodurans
• The World’s Toughest Bacterium
• Meet Conan the Bacterium Humble microbe could become"The Accidental (Space) Tourist"
• Разгадана тайна микроба, не боящегося радиации