Екстремальні гіпертермофільні археї

Історія вивчення гіпертермофільних мікроорганізмів, їх систематичне положення, середовища існування (наземні і морські біотопи). Морфологічні, фізіологічні і культуральні особливості архей; механізми їх термофілії. Практичне використання в біотехнології.

Рубрика Биология и естествознание
Вид дипломная работа
Язык украинский
Дата добавления 17.09.2010
Размер файла 1,8 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗМІСТ

ВСТУП

ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1. Історія вивчення та відкриття гіпертермофільних архей

2. Систематичне положення гіпертермофільних архей

2.1 Таксономія

2.2 Філогенія

3. Середовища існування гіпертермофільних архей

3.1. Наземні біотопи

3.2. Морські біотопи

4. Морфологічні, фізіологічні і культуральні особливості гіпертермофільних архей

4.1 Морфологічні особливості

4.2 Фізіологічні властивості

4.3 Культуральні властивості

5. Енергетичний метаболізм гіпертермофільних архей

6. Механізми термофілії гіпертермофільних архей

6.1 Термостабільність ліпідів і мембран

6.2 Термостабільність білків і ферментів

6.3 Термостабільність ДНК та інших нуклеїнових кислот

6.4 Межі термоадаптації

7. Коротка характеристика окремих представників гіпертермофільних архей

8. Практичне значення і використання в біотехнології

8.1 Використання в молекулярній біології

8.2 Використання в промислових процесах гідролізу крохмалю

8.3 Використання в інших промислових процесах

ВИСНОВКИ

ЛІТЕРАТУРА

ВСТУП

Гіпертермофільними називають мікроорганізми з оптимумом росту за температур вище 80°С [1,2,3]. На відміну від звичайних термофілів вони, як правило, не ростуть при температурах нижче 60°С [4,5]. За останні 30 років інтерес до гіпертермофільних мікроорганізмів у науковому співтоваристві постійно росте. Сучасні гідротермальні системи можна розглядати як аналог древніх біоценозів Землі. Таким чином, вивчення гіпертермофільних прокаріот є важливим як для розуміння еволюції мікроорганізмів та їх метаболічних шляхів, так і для розуміння еволюції біосфери в цілому. Усе більш поширеною стає гіпотеза про те, що життя вперше зародилося саме в таких умовах: у тріщинах і порожнинах нагрітих гірських порід, глибоко в надрах Землі. Тому вивчення подібних мікробних співтовариств, можливо, згодом наблизить нас до розгадки таємниці походження життя [6]. У термальних екосистемах гіпертермофільні мікроорганізми можуть виконувати функції первинних продуцентів й/або деструкторів органічної речовини [7]. Гіпотеза про існування гарячої підземної біосфери, із сумарною кількістю біомаси, що перевершує наземну (передбачається, що в порожнинах і тріщинах осадових і вулканічних порід під дном океанів можуть знаходитися до 2/3 всіх мікроорганізмів, що живуть на планеті), знаходить своє підтвердження, надаючи активну роль гіпертермофільним мікроорганізмам у минулих і сучасних біогеохімічних процесах [6]. Крім того, виняткова стійкість їх біополімерів до високих температур робить їх перспективними об'єктами, як для фундаментальних досліджень, так й у зв'язку з можливістю застосування в різних областях біотехнології [3]. Переважна більшість гіпертермофільних організмів становлять археї [1,2,6]. Предметом розгляду даної роботи є саме гіпертермофільні археї.

З'ясування адаптаційних механізмів, які забезпечують активне існування при високих температурах, що перешкоджають росту переважної більшості прокаріот, становить безсумнівний інтерес. Адже цей фактор впливає на всі живі істоти: навколишня температура постійно змінюється, її перепади в певних районах бувають досить значними, і організми повинні пристосовуватися . Проведені в цьому напрямку дослідження переконливо довели, що термофілія включає безліч молекулярних механізмів і не може бути пояснена тільки якою-небудь однією властивістю організму. Деякі з них залишаються нез'ясованими і чекають свого пояснення, але вже на сьогоднішній день досягнуто значних успіхів. Тому ціль даної роботи -- охарактеризувати та зіставити різноманітні механізми та найбільш загальні молекулярні аспекти, запропоновані останніми роками для пояснення способів існування гіпертермофільних архей в екстремальних умовах навколишнього середовища і можливості їх використання в потребах людини. Для досягнення цілі роботи поставлені такі задачі :

1) Ознайомитися з результатами проведених досліджень за останні роки, що розширюють наші знання про унікальні особливості гіпертермофільних архей і в майбутньому, переконаний, знадобляться в професійній діяльності.

2) Розкрити та виділити особливі адаптаційні риси в фізіологічних та морфологічних властивостях гіпертермофільних архей.

3) Приділити особливу увагу промисловому та лабораторному використанню гіпертермофільних архей та їх перспективам як біотехнологічних об'єктів.

4) Наголосити на основних перевагах, актуальності та комерційній цінності використання термостабільних ферментів гіпертермофільних архей в порівнянні з такими в термофільних бактерій та архей.

Обмеженість розгляду даної теми у вітчизняних наукових виданнях зумовила і стимулювала до використання значної кількості матеріалів з іноземних джерел, що надало даній роботі передового і пізнавального характеру.

Як правило, біотехнологічний потенціал гіпертермофільних архей у значній мірі пов'язаний з наявністю в них термостабільних ферментів, серед яких найбільш широким використанням й комерційною успішністю користуються термостабільні ДНК-полімерази, основною перевагою яких перед бактеріальними полімеразами є більш висока термостабільність і точність копіювання [7]. Крім цього, практичного використання набувають й інші термостабільні ферменти архей, зокрема, в молекулярній біології, хімічному синтезі, целюлозно-паперовій і харчовій промисловості. Широкі перспективи застосування і очевидні переваги створюють умови для подальшого їх впровадження у технологічні процеси.

Особливу подяку автор висловлює науковому керівникові доц.,к.б.н. Орябінській Л.Б. за запропоновану тему, обговорення результатів, цінні поради і зауваження та загальне наукове керівництво.

ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1. ІСТОРІЯ ВИВЧЕННЯ ТА ВІДКРИТТЯ ГІПЕРТЕРМОФІЛЬНИХ

АРХЕЙ

Неймовірно, але факт: головною відмінною фізіологічною рисою гіпертермофільних мікроорганізмів є здатність до росту при високих температурах (вище 80°С), тобто в умовах, цілком неприйнятних для більшості живих істот [8;9]. Коли американський мікробіолог Томас Брок

(T.D.Brock) в 1968 р. вперше доповів на конференції результати своїх досліджень з цього питання, багато його колег вважали, що він божевільний, а його співробітникам радили пошукати роботу в іншому місці. І для цього були всі підстави [10]. Адже з Луї Пастера було загальновизнаним, що вегетативні клітини бактерій успішно гинуть при температурах від 80 до 100°С (Це спостереження ґрунтувалось на технології пастеризації). Крім цього, вважалось, що високі концентрації солей в морській воді і прісноводних гарячих джерелах, створюючи додатковий стрес на живі організми, унеможливлювали їх існування за таких умов. Тому усілякі заперечення вищенаведеного навіть не сприймалися до уваги [11].

Але Брока це не зупинило. Він помістив в гарячі джерела Йеллоустонського національного парку (з температурою води, близькою до точки кипіння) скляні диски з надією, що на них утворяться колонії існуючих у цій воді мікроорганізмів. У ті роки найвищою температурою, при якій могло існувати життя, вважали 75°С (Thermus aquaticus [10]). Однак вже через кілька днів пластинки Брока вкрилися тонким шаром мікроорганізмів, і біолог впевнився, що навіть там, де температура ніколи не падала нижче 100°С, існує життя [12]. Ці невідомі раніше живі істоти стали важливим об'єктом досліджень біологів. Перш за все вчені зацікавилися особливостями обміну речовин цих мікроорганізмів і спробували знайти їм місце в загальній еволюційній картині живого світу.

Спочатку знайдені бактерії, віднесені до роду Sulfolobus, американський дослідник Кастенхольц (Castenholz) розглядав як рідкісних і незвичайних представників серед Pseudomonad [13]. Але згодом німецький мікробіолог Карл Воуз (Сarl Woese) в 1977 році опублікував свою революційну концепцію трьох доменів живого світу на підставі порівняльного аналізу нуклеотидних послідовностей гена 16S рибосомальної РНК, запропонувавши три самостійні лінії розвитку відносити до домініоніонів (від англ. domain) і називати археями (Archae), бактеріями або еубактеріями (Bacteria) і еукаріями (Eukarya), замість еукаріот для співзвучності з іншими назвами [7]. Його колеги, Карл Стеттер ( Karl O. Stetter ) і Вольфрам Зілліг (Wolfram Zillig), ґрунтуючись на дослідженні ДНК-залежних ДНК-полімераз різних мікрорганізмів, підтвердили висновки Воуза [11].Також виявилось, що насправді рід Sulfolobus належить до домену Archaea і має досить древнє походження, знаходячись біля кореня запропонованого філогенетичного дерева. Подальший аналіз показав, що еукаріоти та архебактерії мають спільного універсального предка небактеріального походження і першими організмами, що відокремились від Archae/Eukarya лінії були саме гіпертермофіли. Отже, гіпертермофільні організми виявились найбільш близькоспорідненими до предка сучасного живого світу, розвиваючись у високотемпературних умовах молодої Землі [14]. Можливо, вони були першими формами життя на планеті [8].

Більшість з близько 20 досліджених до нашого часу родів гіпертермофілів, окрім 2 (Thermotoga та Aquifex), класифікують як археї [11][14]. Ранні дослідження таких мікроорганізмів наводили на думку, що їх геном може характеризуватися високим вмістом Г-Ц пар, але сучасні методи доводять, що немає жодної очевидної кореляції між Г-Ц вмістом генома і природним температурним оптимумом росту для даних бактерій [15].

Натомість комплексні дослідження повних геномних сіквенсів цієї групи бактерій призвели до дивовижних результатів. Виявилось, що лише один білок - зворотня гіраза присутній у всіх без виключення гіпертермофілів ( у деяких кренархеот їх навіть дві ) і відсутній у мезофільних і термофільних мікроорганізмів [16]. Цей фермент запобігає розкручуванню подвійної спіралі молекули ДНК при високих температурах і підтримує її у функціональному стані. Виявлення його тільки у гіпертермофільних мікроорганізмів підтверджує правильність виділення їх в окрему групу. Збереження функціонально-активної ДНК було абсолютно необхідним для перших мікроорганізмів, що подолали 80°-градусний температурний бар'єр. В нещодавній роботі (2004 року) групи японських мікробіологів на чолі з Харуюкі Атомі (Haruyuki Atomi) було, навпаки, експериментально показано, що видалення гена зворотньої гірази з генома Thermococcus kodakaraensis KOD1 не призводило до летального результату при 90°С. Однак ДНК штаму, позбавленого цього гену, не була позитивно суперспіриалізованою, і ріст бактерії був сповільненим у порівнянні з "нормальним" штамом, що особливо яскраво виражалось при більш високих температурах [17].

Відкриття і виділення термостабільної ДНК-полімерази (Tfu-ДНК-полімерази) в 1991 році з гіпертермофільних архей Pyrococcus furiosus, оптимум роботи якої знаходиться в області 72°С, поряд з її використанням в методі ПЛР, призвело до забезпечення як високої процесивності (протяжності ділянки, що синтезується за одне зв'язування ферменту, і в результаті швидкості синтезу), так і високої точності копіювання ДНК [18]. Крім того, що ця полімераза витримує високу (94--96°C) температуру, необхідну для денатурації ДНК, у неї присутній механізм корекції помилок у 3'>5' напрямку (3'>5' екзонуклеазна активність).Такі полімерази дозволили значно скоротити число мутацій, які зустрічаються в копійованій послідовності ДНК, якісно вдосконаливши метод ПЛР, що в наш час широко використовується в біологічній і медичній практиці, наприклад для клонування генів, введення мутацій, виділення нових генів, секвенування, для створення генетично модифікованих організмів, діагностики захворювань (спадкових, інфекційних), ідентифікації малих кількостей ДНК, встановлення батьківства [19].

Дослідження гіпертермофільних мікроорганізмів визначають і розширюють наші уявлення про верхні температурні межі життя. У 1969 році оптимальну температуру росту бактерії Thermus aquaticus - 75°С вважали екстремально високою [10]. Зафіксовані до недавнього часу найвищі температури росту становили 113°С (Pyrolobus fumarii)та 121°С ("Geogemma barosii strain 121", 2003) [20]. 2008 року група японських дослідників на чолі з Кеном Такаі (Ken Takai), культивуючи архебактерії Methanopyrus kandleri strain 116 в автоклаві (!) з використанням унікальних технологій, довели можливість росту і розмноження даної бактерії за температури 122°С та тиску 20 МПа без порушень метаболізму та на протязі тривалого часу [21]. Вельми можливим представляється існування гіпертермофільних архей і за значно вищих температур. Зокрема, вищезгаданий мікроорганізм Geogemma barosii Strain 121 витримував нагрівання до 130°С протягом двох годин, але не міг розмножуватися до тих пір, поки не був „охолоджений” до температури 103°C [21]. Тим не менш, вважається малоймовірним, що гіпертермофільні організми могли б вижити при температурах вище 150°C, адже в цій точці ДНК та інші біологічні молекули зазнають необоротної руйнації [20].

Починаючи зі знаменитої експедиції парусно-парового корвета „Челленджер” в 1872-1876 роках, в ході якої були зібрані унікальні матеріали про мешканців океанічного дна, велика увага (особливо останніми роками) приділяється дослідженню екстремальних природних біотопів; не в останню чергу завдяки наявності високотехнологічного сучасного обладнання та фінансуванню даних проектів такими потужними організаціями як US National Science Foundation ( програма „Life in Extreme Environments” ) та Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling (Об'єднаний океанографічний інститут дослідження глибин Землі з міжнародною програмою глибокого буріння океанічного дна) [1;20]. Дослідження стимулюються припущенням, що нагріта глибинна біосфера в деяких деталях імітує умови древньої Землі, в яких зародилось життя на нашій планеті [22]. До сих пір максимальна глибина, на якій у товщі морських донних відкладень були виявлені живі мікроорганізми, становила 842 м [23]. В 2008 році результати глибоководного буріння біля берегів Ньюфаундленда показали, що багате мікробне життя присутнє аж до глибини 1626 м під рівнем морського дна, де при температурі близько 100°C мешкають різноманітні гіпертермофільні архебактеріі. В цьому 2009 році японські дослідники на дослідницькому буровому судні „Тікю” планують досягнути рекордної глибини в 7000 метрів і взяти зразки порід з верхнього шару земної мантії. Видається можливим, що в них будуть знайдені нові представники екстремальних мікроорганізмів [6].

Останніми роками приділяється значна увага дослідженню морфологічних та фізіологічних особливостей гіпертермофільних архей. Зокрема, американськими дослідниками на чолі з Деннісом Гроганом (Dennis Grogan) виявлено механізми світлозалежної фотореактивації ( репарації ) ДНК (Sulfolobus acidocaldarius [24],1996); під керівництвом професора Рольфа Бернандера (Rolf Bernander) група шведських мікробіологів відкрила невідомий до нашого часу механізм клітинного поділу у архебактерії Sulfolobus acidocaldarius [5]; для членів порядку Sulfolobales описаний новий шлях фіксації CO2 - цикл 3-гідроксипропіоната (Metallosphaera sedula [25],1999); вперше серед архебактерій відкрите явище паразитизму (для Nanoarchaeum equitans [26],2003) -- це призвело до виокремлення четвертого типу в домені Аrchea -- Nanoarchaeota; нарешті, виявлено провідну роль гіпертермофільних архей в процесах біомінералізації (наприклад, геологічний процес утворення реальгару (AsS) із арсенату, що раніше вважався чисто хімічним, може здійснювати кренархеота Pyrobaculum arsenaticum [27],2000).

Дійсно, щоб охопити всю ширину сучасних досліджень та повністю охарактеризувати їх історичний хід, слід значно розширити формат даної роботи. В межах викладеного можна підсумувати, що на сьогоднішній день головними досягненнями слід вважати успішне практичне використання гіпертермофільних архей в біотехнології, молекулярній біології та промисловості; виявлення їхнього унікального положення в системі живого світу завдяки тривалим дослідженням в області генетики, морфології, фізіології та метаболізму даної групи мікроорганізмів; розширення знань про межі виживання живих істот і можливості зародження життя в екстремальних умовах первісної Землі.

2. СИСТЕМАТИЧНЕ ПОЛОЖЕННЯ ГІПЕРТЕРМОФІЛЬНИХ АРХЕЙ

2.1 Таксономія

На сьогоднішній день описано понад 70 видів гіпертермофільних архей та бактерій, що були виділені з різноманітних наземних і морських біотопів в усьому світі [27]. Представників цієї досить строкатої (особливо, стосовно філогенії та фізіологічних властивостей ) групи мікроорганізмів об'єднують в 29 родів та 10 порядків[28] (рисунок 1).

На сьогодні класифікація прокаріот, заснована на аналізі нуклеотидної послідовності гена 16S-рРНК, вважається обов'язковою для розрізнення та характеристики нових таксономічних груп. Слід зазначити, що більш традиційні критерії (вміст GC пар ДНК, ДНК-ДНК гомологія, морфологія та фізіологічні особливості) можуть бути використані лише як окремі ознаки при визначенні вищих таксонів представників однієї філогенетичної лінії (наприклад, при описі різних видів чи штамів)[23].

Гілки гіпертермофілів наведені товстою лінією.

Рисунок 1 -- Універсальне дерево життя, засноване на порівняльному аналізі структур гена 16S рРНК (ss rRNA) згідно Воуза [28].Схематичний рисунок.

На сьогодні класифікація прокаріот, заснована на аналізі нуклеотидної послідовності гена 16S-рРНК, вважається обов'язковою для розрізнення та характеристики нових таксономічних груп. Слід зазначити, що більш традиційні критерії (вміст GC пар ДНК, ДНК-ДНК гомологія, морфологія та фізіологічні особливості) можуть бути використані лише як окремі ознаки при визначенні вищих таксонів представників однієї філогенетичної лінії (наприклад, при описі різних видів чи штамів)[23].

2.2 Філогенія

Очевидно, що серйозною проблемою молекулярних класифікацій є відсутність змістовної інтерпретації аналізованих ознак [7]. Більш адекватним є опис еволюційної історії організмів, що є основою філогенетичних класифікацій. Починаючи з піонерських робіт Карла Воуза, для таких цілей широко використовується порівняльний аналіз 16S рРНК (ss rRNA) прокаріот, яка містить близько 1500 основ та гомологічна еукаріотичній 18S рРНК [24]. Внаслідок проведених досліджень нуклеотидних послідовностей 16/18S рРНК було отримане універсальне філогенетичне дерево життя (рисунок 1), яке показало наявність поділу всього живого на три домена: Bacteria, Archaea и Eucarya [28].

В межах такого дерева найбільш „глибокі” філогенетичні гілки засвідчують раннє розділення організмів в ході еволюції, короткі демонструють уповільнення цього процесу на певному етапі. Очевидно, що на відміну від еукарій, в доменах архей та бактерій містяться найбільш глибокі гілки, що свідчить про їх близькість до єдиного універсального предка (лежить в корені дерева)[14]. Як не дивно, саме гіпертермофіли репрезентують усі найглибші та найкоротші гілки, оточуючи основу філогенетичного кореня. Перш за все, це Aquifex і Thermotoga серед бактерій та Methanopyrus, Pyrodictium і Pyrolobus серед архей. Можна зробити висновок, що екстремофіли відносяться до найбільш древніх організмів і що останній спільний предок всього живого міг бути гіпертермофілом[23].

На сьогодні в домені архей виділяють 4 царства або типа [24]:

1) Crenarchaeota - термофіли, екстремальні термоацидофіли, а також гіпертермофіли, що входять до всіх трьох порядків Sulfolobales, Thermoproteales, Igneococcales (рисунок 2) [33];

Рисунок 2 -- Дендрограма, що демонструє класифікацію архебактерій царства Crenarchaeota на основі порівняльного аналізу гена 16S рРНК (ss rRNA)[20].

2) Euryarchaeota - сулфатредуктори, метаногенні і галофільні археї; мезофіли, термофіли, а також гіпертермофіли, які входять до порядків Thermococcales, Archaeoglobales, Methanococcales, Methanobacteriaies, Methanopyrales (рисунок 3)[17];

Рисунок 3 -- Дендрограма, що демонструє класифікацію архебактерій царства Euryarchaeota на основі порівняльного аналізу гена 16S рРНК (ss rRNA)[17].

3) Nanoarchaeota - єдиний представник гіпертермофіл Nanoarchaeum equitans, симбіонт або паразит гіпертермофільних архей Ignicoccus, що мешкають в гідротермальних системах США, Ісландіі і на Камчатці [26];

4) Korarchaeota (на рисунку 1 не показані) - ДНК знайдені в геотермальних джерелах США, Ісландії, на рисових полях Японії, культивовані види поки невідомі [7].

По мірі накопичення відомостей про молекулярні структури та організацію геномів архей деякі мікробіологи ( Гупта (Gupta), Кавалье-Сміт (Cavalier-Smith) та ін.) прийшли до висновку, що універсальне дерево життя, засноване на порівняльному аналізі структур гена 16S рРНК (рисунок 1), не співпадає з результатами філогенетичних досліджень на основі порівняння інших геномних фрагментів (рисунки 4-5)[7]. Так, порівняльний аналіз не інформаційних генів, продукти яких відповідальні за реалізацію генетичної інформації, а операційних генів, продукти яких приймають участь у метаболізмі, для повних геномів 15 архей і 45 еубактерій показав, що 75% генів Saccharomyces cerevisiae гомологічні еубактеріям, що може бути характерним тільки для найпростіших еукаріот [29]. Отже, сестринські зв'язки між архебактеріями і еукаріотами відображаються тільки в деяких генах. Альтернативні системи класифікації засновані на особливостях будови не лише генів, але й клітинних покривів. Клітини можуть бути оточені однією (Monodermata або одноплівочні, - археї, еукаріоти і грампозитивні бактерії) або двома (Didermata або двохплівочні, - грамнегативні бактерії) мембранами [30]. Класифікація Гупти (Gupta) заснована на кількості клітинних мембран і порівняльному аналізі амінокислотних послідовностей, що знаходяться між консервативними ділянками і названих інделами від англ.«INsertion» і «DELetion».

У відповідності с кладограммою Гупти (рисунок 4) положення архей не визначено: археї разом з еукаріотами можуть бути сестринською групою грампозитивних бактерій або мати поліфілетичне походження, при якому галофільні археї походять від актинобактерій, а метаногени -- від клостридій [31].

Рисунок 4 -- Результати філогенетичного аналізу згідно Гупти (Gupta) [31].

За результатами філогенетичного аналізу Кавалье-Сміта (Cavalier-Smith) (рисунок 5), з одноплівочних Posibacteria виникло нове царство Neomura, яке об'єднало архей і еукарій. При частковому співпадінні класифікації Гупти і Кавалье-Сміта відрізняються у визначенні первісниходноплівочних або двохплівочних клітин відповідно [32].

Рисунок 5 -- Результати філогенетичного аналізу згідно Кавалье-Сміта (Cavalier-Smith) [32].

В якості висновку слід зазначити, що проблема філогенетичної класифікації архебактерій ( в тому числі гіпертермофільних) залишається відкритою, з необхідністю подальшого систематичного аналізу. Зокрема, сучасні дослідження по даній темі набули досить значних масштабів, але більшість вчених все ж продовжують користуватися філогенетичним деревом Воуза, погоджуючись з тим, що воно потребує деякого вдосконалення або повного перегляду[33].

3.СЕРЕДОВИЩА ІСНУВАННЯ ГІПЕРТЕРМОФІЛЬНИХ АРХЕЙ

Гіпертермофіли проживають у вологих вулканічних та геотермальних гарячих умовах довкілля, віддаючи перевагу наземним і підводним зонам вулканічних розломів, де стикаються і розходяться тектонічні плити земної літосфери [28]. В середовищі перенагрітої насиченої пари життя неможливе, тому наявність води в рідкому стані - необхідна умова існування гіпертермофілів в таких біотопах. Деякі екстремальні археї комфортно себе почувають за температур вище 100°C завдяки підвищенню точки кипіння води в умовах високих гідростатичних і осмотичних тисків [9]. У зв'язку з присутністю газів-відновників та низькій розчинності кисню за високих температур, біотопи гіпертермофілів переважно анаеробні (таблиця 1.1). Вони розвивались ізольовано від наземних і морських природних кліматичних умов[33].

Таблиця 1.1 - Біотопи гіпертермофілів [28].

*) В залежності від висоти над рівнем моря;

**) Концентрація сульфатів в морській воді близько 3 ммоль/л.

3.1 Наземні біотопи

Наземні біотопи гіпертермофілів представлені в основному сірковмісними сольфатарними територіями, що названі так на честь вулкана Сольфатара в Їталії. Сольфатарні поля складаються з грунту, бруду, вулканічних тріщин і води, нагрітої активними магматичними процесами під землею[12]. Дуже часто, такі поля знаходяться в тісному сусідстві з діючими вулканами і їх активність у значній мірі зростає на різних етапах виверження. В залежності від висоти над рівнем моря, максимальна температура води сольфатарних полів досягає 100°C. Їх сольоність, як правило, низька. Хімічний склад дуже різноманітний і залежить від особливостей локалізації сольфатара[13]. Водяна пара є головним фактором теплопередачі. СО2 в анаеробних грунтах запобігає проникнення кисню на великі глибини. Окрім того H2S приймає участь у відновленні кисню до води, сприяючи накопиченню елементарної сірки. Важливим газоподібним джерелом енергії для гіпертермофілів є водень, який може утворюватись піролітично з води або хімічно з H2S[34]. Значна кількість сольфатарних полів багата на залізовмісні мінерали, такі як гідроксид заліза, пірит та інші сульфіди заліза. Деякі території збагачені також рідкісними мінералами миш'яку, магнетитами і реальгаром ( наприклад, Долина Гейзерів на Камчатці ). Зрідка на території сольфатарів зустрічаються силікатовмісні нейтральні чи слабколужні (рН=7-10) гарячі джерела глибинного походження з низькою концентрацією неорганічних сполук сірки [24]. Німецьким дослідником Карлом Шеттером були досліджені глибинні геотермальні біотопи невулканічного походження, що були знайдені на глибині 3500 метрів під шаром вічної мерзлоти на Алясці, температура яких сягала майже 100°C. Такі нафтогазоносні піщаники та вапняки Юрського періоду слугують чудовим середовищем для життєдіяльності цілої сукупності гіпертермофілів ( близько 107 різноманітних клітин на 1 літр проби )[35]. Як виявилось, ці організми дуже схожі на тих, що знайдені в підводних гідротермальних системах.

При виверженні вулканів можуть утворюватися кратерні озера, нагріті фумаролами (Наприклад, Askja в Ісландії). Як правило вони багаті на сірку і мають сильнокисле середовище, представляючи собою чудовий біотоп для гіпертермофілів [36]. На жаль, нічого невідомо про мікробне життя всередині діючих вулканів. Такі місця небезпідставно вважають „ гарячими губками”, що можуть містити велику кількість води в тріщинах і розломах, представляючи собою один з невивчених біотопів гіпертермофілів. Перші свідчення про присутність мікробних співтовариств геотермальних територій на глибині 3500 м під землею були отримані зовсім нещодавно. Грунти вулканічних схилів також є придатними для існування багатьох груп екстремофілів. Наприклад, на горі „Tramway Ridge", південному кратері вершини Еребус і на верхньому плато піку Мельбурн, що знаходяться в Антарктиді, виявлені вологі грунти з температурою 60 та 65°С і рН 5-6 на висоті 3500 метрів[6]. Вони представляють собою „острівці” теплолюбного життя на найхолоднішому континенті.

3.2 Морські біотопи

Морські біотопи гіпертермофілів розміщуються в різних гідротермальних системах, розташованих як на мілинах, так і на значній глибині. Як і для звичайної морської води, такі системи містять високі концентрації NaCl, сульфатів і мають середовище від слабкокислого до слабколужного pH (5-8.5)[1]. З іншої сторони, необхідні для існування гази і мінеральні поживні речовини, можливо, подібні до таких в наземних термальних областях. Дрібні підводні гідротермальні системи знаходять в багатьох частинах світу, переважно на територіях з активним вулканізмом, наприклад на острові Vulcano в Італії, де температура коливається від 80 до 105 °C [28]. Найбільш вражаючим біотопом для гіпертермофілів слугують глибоководні гідротермальні джерела - так звані "чорні курці", (рисунок 6) де багаті мінералами води нагріваються до температур близько 400 °C [23].

Рисунок 6 -- Гідротермальні підводні джерела, названі „чорними курцями”, що випускають перегріті чорні води в холодні шари океанічних глибин. Струмені дійсно нагадують хмари диму[37].

Хоча самі ці гарячі рідини непридатні до життя, зони пористих відкладень гірських мінералів довкола такого джерела характеризуються більш „помірною” температурою, створюючи оптимальні умови для розвитку деяких груп морських гіпертермофілів. На різних скелях „курців” екстремальні археї дійсно процвітають (наприклад, кількість живих архебактерій роду Methanopyrus в одному грамі проби гірських порід, взятої з донних відкладень „чорних курців” Серединно-Атлантичного підводного хребта, становила 108 клітин)[37]. Глибоководні морські джерела розміщуються уздовж підводних тектонічних зон перелому (наприклад, сайти “ТАG“ і “ Зміїна нора” („Snake Pit”), розташовані в тому ж Серединно-Атлантичному підводному хребті на глибині близько 4000 метрів)[23].

Ще одним гідротермальним біотопом гіпертермофілів є діючі підводні вулкани. Неподалік від Таїті знайдено величезний глибинний вулкан Макдональд (Macdonald Seamount -- 28°58.7` S, 140°15.5` W), вершина якого розташована приблизно на 40 метрів нижче морської поверхні. Зразки порід, узяті протягом активної фази підводного виверження з активного кратера містили високі концентрації життєздатних гіпертермофільних архей (104 різних клітин на 1 літр проби) [36]. Добре дослідженим є особливий (не схожий на біотоп гарячих сульфідних джерел) гідротермальний біотоп, що називається спредінгом (рисунок 7). В таких місцях океанського дна на поверхню виходить гаряча (350-400°С) вода, яка підіймається з великих (1000-1500 м) глибин земної кори. Верхня, приблизно півкілометрова товща порід якої складена пухкими застиглими лавами, їх пористість - від 10% в нижній частині до 38% поблизу поверхні дна[27]. Це дає змогу морській воді температурою близько 2°С вільно входити в ці пори, циркулювати в них, нагріваючись підземним теплом до 5-30°С, і знову виходити на поверхню у вигляді "муарових просочень"[6].

Американський дослідник Дж. Баросс давно пропагує ідею, що ці підземні порожнини можуть бути заселені власними мікроорганізмами, відсутніми в гарячих сульфідних джерелах, і не виключено, що умови їх існування близькі до тих, в яких зародилася життя на Землі. Нещодавно його колега М.Саміт довів цю гіпотезу, вивчивши 13 ізолятів (штамів бактерій), виділених з гарячих (330-400°С) виливів і з сусідніх (в 10-20 і в 200 м) прохолодних (12-14°С) просочень [8].

Рисунок 7 -- Схематичний розріз через океанську кору в центрі спредінга. Змішування гідротермального флюїда і морської води під поверхнею дна відбувається в зоні екструзії. Графік змін пористості з глибиною складений за результатами гравіметричних вимірювань в свердловині № 5048 Програми глибинного буріння океанського дна [38].

Проби бактерій були взяті підводним апаратом "Алвін" в Тихому океані на хребті Хуан-де-Фука південно-західніше Британської Колумбії (Канада) на глибині 2260 метрів. Були досліджені фізіологічні властивості мікроорганізмів, структура гена, який кодує 16S рРНК і міжгенної ділянки 16S-23S рРНК, після чого результати порівняли з генетичною структурою більш ніж 20 відомих архебактерій з різних гідротермальної районів Світового океану. Всі 13 штамів виявилися гіпертермофільними (витримували температури 90-95°С, оптимальна - близько 80°С) гетеротрофними архебактеріями[38]. Вони відносились до родів Thermococcus і Pyrococcus, які використовують окислення сульфідів або сірки як джерело енергії, а білки (або суміші амінокислот) - як джерело органічного вуглецю .За генетичною структурою бактерії розділили на чотири групи. Дві з них, дуже близькі, складалися з трьох штамів кожна, включали лише бактерії з прохолодних просочень і були подібні відповідно до T.hydrothermalis і T.siculi. Третя об'єднувала п'ять штамів з гарячих виливів; ці бактерії утворили самостійну групу в роді Thermococcus .В останній групі виявилися два штами з роду Pyrococcus: один з гарячого, інший з прохолодного виливу[8]. Відмінності між архебактеріями з гарячих виливів та прохолодних порожнин полягали в тому, що "гарячі" штами були пристосовані до більш широкого діапазону коливань температури і солоності, ніж "прохолодні", могли жити при більш високій концентрації важких металів, особливо цинку, і мали більш активні протеази, завдяки чому, можливо, живуть при більш високій концентрації розчинених органічнічних речовини .Отже, "гарячі" та "холодні" архебактерії пристосовані до життя в різних умовах і тому не змішуються в межах вищезгаданогог біотопу [9].

Ще більш вражають результати глибоководного буріння біля берегів Ньюфаундленда, які показали, що багате мікробних життя присутнє аж до глибини 1626 м під рівнем морського дна, де при температурі 60-100°C мешкають різноманітні гіпертермофільні архебактеріі[4]. Основу їх метаболізму складає метан і більш важкі вуглеводні, які утворюються в земних надрах при високих температурах. Проби були взяті на глибинах від 860 до 1626 м під рівнем морського дна. Пробурена товща складалась з донних відкладень, що формувались протягом більше ніж 100 млн років (вік осадових порід в самій нижній пробі становить 111 млн років, в самій верхній - 46 млн років). Температура на різних глибинах не могла бути виміряна безпосередньо і тому обчислювалась на основі непрямих ознак зі значною похибкою. Для самої глибокої проби (1626 м) була визначена температура 60-100 ° C. У всіх дев'яти пробах виявилася велика кількість живих мікробів (зрозуміло, були вжиті всі можливі заходи, щоб уникнути забруднень)[6]. Присутність живих мікроорганізмів була підтверджена декількома незалежними методами. По-перше, їх просто спостерігали під мікроскопом, причому багато клітин були застануті в момент поділу. По-друге, проби забарвлювали особливим барвником, який змушував живі клітини прокаріот світитися зеленим світлом, а мертві - червоним. По-третє, з кожної проби виділялася ДНК, що піддавалися потім детальному аналізу. Кількість мікробів в пробах коливалося навколо середнього значення 1,5 млн клітин на см3 - це типова щільність мікроорганізмів для глибоких шарів морських відкладень[1]. Приблизно 60% клітин після фарбування засвітилися зеленим, тобто були живими. Найактивніше процес поділу клітин проходив в самій нижній пробі, де була максимальна концентрація вуглеводнів, а також максимальна температура ( рисунок 7). Аналіз ДНК дозволив приблизно оцінити таксономічну різноманітність мешканців земних надр. Вчені зосередилися на археях, оскільки саме ця група прокаріот звичайно переважає в глибинах морських відкладень [11]. Вдалося ідентифікувати близько півтора десятка різновидів гіпертермофільних архебактерій. У самій нижній пробі переважали археї, що відносяться до добре вивчених родів Pyrococcus і Thermococcus. Ці мікроби можуть рости при екстремально високих температурах (до 100-103 ° С).Вони є гетеротрофами, тобто живляться готовими органічними сполуками. Не виключено, що в надрах Землі їм необхідні високомолекулярні вуглеводні, які утворюються абіогенним шляхом. В інших пробах відзначено велику кількість архей, що здійснюють бескисневе окислення метану [6].

Але в цілому екологічний та таксономічний «портрет» мікробних спільнот таких біотопів поки вдалося промалювати лише в самих загальних рисах[13]. Цілком можливо, що там присутні й інші різновиди прокаріот, які ще тільки належить виявити і вивчити.

Коментар до рисунка: По вертикальній осі - глибина (в метрах під поверхнею морського дна). Збоку зліва чорними крапками у вигляді діаграми показана концентрація метану в пробах. Трикутники і суцільна чорна лінія відображають відношення маси вуглеводнів до загальної маси органічного вуглецю. Лінія з квадратними крапками - відсоток клітин, що діляться. Лінія з круглими крапками - число клітин на см3. Горизонтальною пунктирною лінією показано положення вулканічного шару,що не дозволяє вуглеводням просочуватися наверх. Справа вказані переважні різновиди архебактерій (ANME - археї, що здійснюють анаеробне окислення метану), а також мінімальні і максимальні температури для чотирьох проб.

Рисунок 8 -- Інформативні графіки, що демонструють результати досліджень групи вчених із Франції та Великобританії, проведені 2008 року [6].

4. МОРФОЛОГІЧНІ, ФІЗІОЛОГІЧНІ І КУЛЬТУРАЛЬНІ ОСОБЛИВОЧТІ ГІПЕРТЕРМОФІЛЬНИХ АРХЕЙ

4.1 Морфологічні особливості

Відповідно до філогенетичної різноманітності, гіпертермофільні археї демонструють широкі спектри клітинної морфології (таблиця 2). Клітини можуть варіювати від регулярних до нерегулярних кокків, інколи з округлими або клиноподібними обрисами, від нерегулярних дископодібних клітин до регулярних паличок, або паличок зі сферами на їх кінцях (мають вигляд клюшок для гольфу )[2]. Як і для інших прокаріот, в чистій культурі евріархеот Methanothermus, Methanococcus, і Archaeoglobus міститься приблизно рівна кількість паличкоподібних або коккоподібних клітин з невеликою варіацією їхніх розмірів (таблиця 2)[23]. Те ж вірне для сфероподібних Sulfolobus і Acidianus з царства Кренархеота. Дуже особливий випадок - Thermoplasma, термоацидофільні гетеротрофні плеоморфні архебактерії, у яких не виявлено клітинної стінки. Натомість такі клітини надзвичайно гнучкі і пластичні, вирізняються надзвичайно нерегулярною формою і великою варіацією у формі і розмірі. Найменші з них, що спостерігались, - дуже маленькі кокки, близько 0.2 мкм в діаметрі (дивись таб.2). Крім того, зрідка зустрічаються клітини витягнутої, грушоподібної, гвинтоподібної, квадратної та інших форм. Вони можуть розвиватися самостійно чи збиратися в колонії та формувати нитки. Діаметри клітин знаходяться в межах 0.1 -- 15 мкм, а довжина - до 200 мкм[39].

Таблиця 2.1 - Морфологія і розміри клітин гіпертермофільних архей[23].

Пояснення: long - довжина, wide - ширина, dia - діаметр.

Несподівані зміни розмірів клітин можна спостерігати в чистих культурах гіпертермофільних представників Thermococcales, Desulfurococcales і Thermoproteales, які представляють найглибші та найкоротші філогенетичні гілки серед архей. В культурах Thermococcus і Pyrococcus, як правило, домінують диплококи нерегулярної сферичної форми від 5 до 2 мкм в діаметрі. Тим не менш, на початку логарифмічної фази росту, дуже крихітні яйцеподібні клітини збираються і надалі розвиваються в колоніях до 20 осіб. Іноді, відносно великі клітини розташовуються у вигляді замкнених кілець, які вміщують кілька менших. Функції цих камер досі нез'ясовані[14] . Для представників родів Thermoproteus і Thermofilum характерна форма клітин у вигляді прямокутних жорстких стержнів, якім властиві незвичні варіації в довжину від 1 до 100 мкм. Як правило, протягом експоненціальної фази росту, на поверхні невеликих клітин близько 0.3 -- 0.5 мкм в діаметрі ближче до одного з кінців починають формуватися вирости під кутом 135°. Аналогічні за розміром сфери можна побачити в культурі і у вільному стані і цей процес може являти собою незвичайний спосіб розмноження клітин[23].Крім того, клітини Thermoproteus і Thermofilum здатні розмножуватися шляхом регулярного поділу клітин. Штами Thermofilum експонують значно тонші паличкоподібні клітини, ніж Thermoproteus. Як правило, клітини Thermofilum можуть мати в діаметрі тільки 0.15 -- 0.17 мкм, і, отже, навряд чи можуть бути виявлені за допомогою світлового мікроскопа, у той час як клітини Thermoproteus мають форму тонких стержнів, близько 0.4 мм у діаметрі (таблицю 2)[40]. Культури представників гетеротрофних родів Staphylothermus і Desulfurococcus представлені сферичними клітинами з відмінностями в діаметрі між 0.5 та 15 мкм. Таким чином, розмір їх клітин коливається більш ніж на чотири порядки. При низьких концентраціях поживних речовин морфологія Staphylothermus зсувається в основному в бік гігантських клітин, приблизно від 10 до 15 мкм в діаметрі. Виділення поверхневих білків представниками роду Staphylothermus (і, можливо, близьких до них Desulfurococcus) сприяє агрегації таких клітин у незвичайні волокнисті структури високої термостабільності [41]. Клітини архей роду Thermodiscus складаються з плоских нерегулярних дисків, вельми змінним діаметром від 0.2 і 3 мкм і шириною близько 0.1 -- 0.2 мкм. Іноді - капсулоподібні структури 0.01мкм в діаметрі і до 15 мм у довжину, з'єднані попарно контактуючими поверхнями двох клітин. В електронному мікроскопі спостерігається невелика кількість дисків менш ніж 0.2 мм в діаметрі[33].

Клітини архей роду Pyrodictium складаються з плоских, нерегулярних дисків від 0.3 до 2.5 мкм в діаметрі і в ширину можуть бути до 0.3 мкм. Примітно, що Pyrodictium ніколи не росте в суспензіях, а лише в каламутних рідинах з частинками діаметром в кілька сантиметрів. Такі частинки слугують унікальною матрицею для системи полих трубочок і канальців з вбудованими бактеріальними клітинами. Трубочки приблизно до 40 мкм у довжину і діаметром 0.026 мкм, складаються з глікопротеїнових субодиниць спіральної організації. Трубочки з'єднують клітини через периплазматичні простори одна з одною, створюючи величезну сітку волокнистих структур неправильної форми[43]. Такі системи Pyrodictium можуть розглядатися як дуже примітивні багатоклітинні прокаріотичні організми. Завдяки характерній системі трубочок і канальців, біомаси культур Pyrodictium сягають великих значень. Дослідження п'яти різних структурних генів, що відповідають за формування таких структур, засвідчили про відсутність гомологій серед генів інших мікроорганізмів, в тому числі серед гіпертермофільних [28].

Переваги утворення таких величезних систем серед Pyrodictium досі нез'ясовані, але вже висунута одна робоча гіпотеза. Згідно з нею, враховуючи фізичну унікальність природних гарячих біотопів і значне розсіяння клітин в характерних волокнистих структурах, група німецьких вчених на чолі з К. Стеттером припустила можливість використання гіпертермофільними археями роду Pyrodictium теплової енергії термальних джерел. Адже Pyrodictium ростуть в пористих стінках глибоководних "чорних курців", кратери яких сягають ширини декількох сантиметрів. Зсередини, стіни сильно нагріваються від 300 до 400°C гарячими флюїдами, одночасно охолоджуючись ззовні оточуючими холодними водами ( 3°C).Таким чином, в таких джерелах виникають значні градієнти температур, в яких волокнисті структури Pyrodictium розташовуються таким чином, що мають і гарячий, і холодний кінець. Цікаво, що хоча цей мікроорганізм росте лише при температурах до 110°C, його багатоклітинні системи стійкі до 140°C[43]. За аналогією термопари, електрони можуть переноситись між холодними та гарячими кінцями волокнистих структур Pyrodictium, що може призвести до генерації мембранного потенціалу і, нарешті, до синтезу АТФ в клітинах. В даний час розробляється ряд експериментів, щоб спробувати довести цю досить перспективну гіпотезу.

Найменші розміри клітин, що спостерігаються саме серед гіпертермофілів, можуть бути пояснені великими перевагами при проходженні через вузькі пори грунтів та гірських порід з метою колонізації гарячих підземних біотопів[13].

Нещодавно, дослідницька група відділу Молекулярної Еволюції Університету Упсали в Швеції під керівництвом професора Рольфа Бернандера відкрила невідомий до теперішнього часу механізм поділу клітин гіпертермофільних архей Sulfolobus acidocaldarius, що мешкають в гарячих кислотних джерелах. Вчені виявили три унікальні гени, які активуються перед початком поділу клітин . Білкові продукти цих генів потім формують жорстку пластинку, що розділяє хромосоми, які розійшлися після сегрегації, після чого ця ж пластинка утворює перемичку між двома дочірніми клітинами - поступово скорочуючись, вона дозволяє клітинам розійтися. Білки, з яких складається розділююча пластинка, абсолютно унікальні і не мають гомологів серед інших відомих живих організмів, які відігравали б роль в клітинному діленні[5]. Два з трьох описаних білків мають схожі структури з так званими ESCRT-білками, характерними для эукаріотичних клітин, проте білки ці, у тому числі у ссавців, відповідальні не за поділ клітин, а за формування внутрішньоклітинних мембранних вакуолей, що виконують функції молекулярного транспорту. Мабуть, в процесі еволюції сталося радикальне розмежуваня функцій деяких білків. Подібні дослідження дають можливість пояснити клітинну біологію архей та інших екстремофілів, а також з'ясувати їх еволюційні зв'язки з представниками царства Еукарій.

4.2 Фізіологічні властивості

Єдиною фізіологічною рисою, характерною для всіх членів цієї групи мікроорганізмів є здатність до росту і розвитку при дуже високих температурах[1,2,3]. Всі інші фізіологічні і біохімічні властивості гіпертермофілів значно різняться : діапазон фізико-хімічних умов життєдіяльності варіює від строгих аеробів до облігатних анаеробів, від алкалофільних до екстремально ацидофільних (таблиця 4.1). До ацидофільних відносять мікроорганізми, для яких характерний оптимальний рН середовища в межах 3,0 і нижче [39]. Майже всі вони об'єднані в порядок Sulfolobales і були виділені з наземних і морських сольфатар. Вони ростуть аеробно (Sulfolobus), факультативно аеробно (Acidianus) і строго анаеробно (Slygiolobus). Більшість нейтрофільних і слабо ацидофільних гіпертермофілів є строгими анаеробами. До гіпертермофілів відносять також мікроорганізми, що ростуть як при низькій, так і при високій солоності середовища. Також широким є спектр типів метаболізму : на сьогоднішній день серед гіпертермофілів невідомі лише фототрофи, метанокислюючі та нітрифікуючі прокаріоти[43].

Таблиця 4.1 - Умови існування деяких гіпертермофільних архей[43].

У термальних екосистемах гіпертермофіли утворюють складні харчові ланцюги і можуть виконувати функції первинних продуцентів і споживачів органічної речовини. Всі гіпертермофільні первинні продуценти є хемолітоавтотрофами, що використовують неорганічні сполуки в якості як донорів, так і акцепторів електронів [28]. В аеробних умовах вони здатні окислювати молекулярний водень до води, а елементну сірку, сульфіди і тіосульфати окислюють до сірчаної кислоти. При відсутності кисню елементна сірка, сульфати, тіосульфати, сульфіти, нітрати, нітрити, Fe(III) і СО2 можуть слугувати акцепторами електронів при диханні, а молекулярний водень є донором електронів. Ferroglobus placidus здатні використовувати замість водню йони двовалентного заліза як донор електронів при відновленні нітрату[44]. Автотрофні гіпертермофіли отримують клітинний вуглець у відновному циклі трикарбонових кислот (Aquifex pyrophilm, Thermoproteus neutrophilus) або через відновний ацетил-кофермент А шлях (Archaeoglobus lithotrophicus, Ferroglobus placidus) [10]. Нещодавно для членів порядку Sulfolobales був описаний новий шлях фіксації СО2: цикл 3-гідроксипропіоната [25]. Деякі хемолітоавтотрофи є факультативними гетеротрофами і можуть використовувати для росту органічні речовини. Ці два різні способи метаболізму були виявлені, наприклад, у представників родів Sulfolobus, Metallosphaera, Acidianus, Pyrobaculum, Geoglobus[43]. Облігатні органотрофи розвиваються за рахунок різних типів дихання або бродіння. В даний час відомий лише один гіпертермофіл, Aeropyrum pernix, який отримує енергію виключно за рахунок кисневого дихання при рості на складних органічних сполуках [45].Для органотрофів при анаеробному диханні як акцептори електронів можуть слугувати сірка, окислені сірковмісні сполуки, нітрати або Fe (III)[2]. Багато гіпертермофільних органотрофів є облігатними сіркоредукторами, проте всі члени порядку Thermotogales і багато членів порядку Thermococcales можуть рости незалежно від сірки, отримуючи енергію від бродіння субстратів. Відомі також мікроорганізми, розвиток яких інгібується сіркою: Pyrolobus fumarii, Sulfophobococcus zilligii, Thermosphaera aggregans[10]. Джерелами енергії і вуглецю для гетеротрофних гіпертермофільних мікроорганізмів в глибоководних біотопах, служать складні суміші пептидів, що утворюються при розкладанні мортмаси первинних продуцентів[38]. Деякі види гетеротрофних гіпертермофілів здатні використовувати полісахариди (крохмаль, пектин, хітин і глікоген). Гіпертермофільні залізоредуктори володіють унікальними фізіологічними властивостями, невідомими для інших гіпертермофільних прокаріот: здатністю до анаеробного окислення органічних кислот (Archaeoglobus profundus [46]) ароматичних з'єднань {Ferroglobus placidus[47]) і жирних кислот {Geoglobus ahangari[48]) . У гідротермальних і геотермальних біотопах гіпертермофіли виконують важливі функції в процесах мінералоутворення. Члени порядку Sulfolobales здатні вилужувати важкі метали з сульфідних руд, таких як пірит і халькопірит. Процеси біомінералізації гіпертермофілів включають утворення магнетиту із заліза деякими залізоредукторами [10]. Недавно показано, що процес утворення реальгара з арсената, який раніше вважався хімічним, може здійснювати гіпертермофільна архебактерія Pyrobaculum arsenaticuni [27].

4.3 Культуральні властивості

Особливості культивування гіпертермофільних архей визначаються їх унікальними фізіологічними і метаболічними особливостями, що змушує дослідників використовувати унікальні техніки для імітації екстремальних умов існування даної групи мікроорганізмів ( наприклад, культивування в автоклаві при високих тисках і температурах ( навіть до 122°C )) [31]. Так, загальновідомий гіпертермофіл Pyrodictium occultum з оптимумом росту 105°C вимагає використання для культивування особливих пробірок, щоб створений в ній тиск запобігав кипінню води культурального середовища[43]. Деякі термоацидофільні представники роду Sulfolobus при оптимальному рН 2-3 можуть виживати навіть в середовищах при рН = 0 ( еквівалентне 0.5M розчину H2S04)[33]. Штами архебактерій родів Sulfolobus, Thermoproteus ростуть літотрофно, окислюючи молекулярну сірку до сульфатів, але деякі з них ростуть в середовищі цукрів чи органічних кислот ( наприклад, глутамат), спиртів, амінокислот, використовуючи їх як енергетичний ресурс і як джерело карбону в біосинтетичних цілях [33]. Що цікаво, археї роду Thermofilum вдало культивуються лише в присутності Thermoproteus, і були виявлені саме як невідомі фактори в екстрактах і культурах супутнього мікроорганізму. Пояснення цього факту ще й досі немає, але очевидним залишається те, що окремо культивувати дані види архей не вдається [14]. Всі гіпертермофільні метаногени ростуть на середовищах при достатньо високих температурах, деякі з них потребують високої концентрації солей і кислих рН (тобто, є ацидофільними та галофільними). Архебактерії роду Archaeglobus завдяки широкому спектру метаболічних можливостей можуть рости як гетеротрофно за наявності в поживному середовищі лактату чи ацетату, або автотрофно як сульфатредуктори, фіксуючи при цьому СО2[46]. В цілому для подолання труднощів при культивуванні гіпертермофілів необхідно розробляти нові методи і технології, адже ще значна доля цих миікрорганізмів не зайняла відведених полиць в дослідницьких лабораторіях.


Подобные документы

  • Характеристика бактерій Rhodobacter sphaeroides, історія винайдення та етапи вивчення. Морфологічні ознаки клітин, особливості їх будови та генетики, екологія та фізіолого-біохімічні ознаки. Поновлювальні джерела енергії. Можливе використання бактерій.

    курсовая работа [2,8 M], добавлен 06.10.2014

  • Основні концепції виду в бактеріології. Особливості визначення систематичного положення мікроорганізмів. Значення морфологічних властивостей в сучасній систематиці мікроорганізмів. Механізм ідентифікації мікроорганізмів на основі морфологічних ознак.

    курсовая работа [5,8 M], добавлен 30.01.2016

  • Особливості визначення систематичного положення мікроорганізмів. Виявлення взаємозв'язку між морфологічними властивостями та ідентифікацією сапрофітних мікроорганізмів. Дослідження кількісних та якісних закономірностей формування мікрофлори повітря.

    курсовая работа [3,7 M], добавлен 26.01.2016

  • Біотехнологічні процеси з використанням ферментів. Характеристика грибів Penicillium funiculosum, їх морфолого-культуральні ознаки, біохімічні властивості. Синтез вортманніну, що може бути використаний як протипухлинний засіб. Методи рекомбінантних ДНК.

    курсовая работа [607,3 K], добавлен 22.03.2015

  • Схема будови очного яблука, нервова регуляція. Оптичний апарат ока. Особливості розвитку зорового аналізатора. Матеріали та методи дослідження сліпої плями. Аналіз матеріалу, морфологічні зміни, вплив середовища, комп`ютерної техніки на орган зору.

    курсовая работа [228,4 K], добавлен 15.09.2010

  • Історія розвитку та застосування біотехнології - комплексу наук, технічних засобів, спрямованих на одержання і використання клітин мікроорганізмів, тварин і рослин, а також продуктів їх життєдіяльності: ферментів, амінокислот, вітамінів, антибіотиків.

    реферат [27,9 K], добавлен 07.12.2010

  • Історія вивчення інстинктів: учення Дарвіна, Павлова, визначення Циглера, теорія походження інстинктів Ухтомського. Основні положення концепції Лоренца: структура поведінкового акту, механізми інстинктивних дій. Ієрархічна теорія інстинкту Тінбергена.

    реферат [30,2 K], добавлен 25.08.2009

  • Группа архей как самостоятельный домен живых организмов в природе. Отличия архебактерий от прочих бактерий. Размеры клеток архей. РНК-полимераза архебактерий. Покровы клеток у разных архей, их строение, химический состав и роль в эволюции биосферы.

    реферат [23,7 K], добавлен 20.12.2010

  • Виявлення еволюційних гілок живих організмів. Загальна характеристика Археїв. Пошук і підбір оптимальних засобів для живлення археїв. Будова і склад клітинних стінок. Особливості кислотолюбивих археїв, що використовують для життя органічні сполуки.

    курсовая работа [52,7 K], добавлен 14.12.2014

  • Палеозой як геологічна ера. Основні періоди ери: Кембрій, Ордовик, Силур, Девон, Карбон та Перм. Псилофіти та плауновидні як перші наземні рослини. Земноводні як перші наземні тварини. Історія "скелетної еволюції". Характеристика фауни Палеозою.

    презентация [918,9 K], добавлен 28.10.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.