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.
Гіпертермофільними називають мікроорганізми з оптимумом росту за температур вище 80°С [1,2,3]. За останні 30 років інтерес до гіпертермофільних мікроорганізмів у науковому співтоваристві постійно росте. 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]. 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.(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. 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). 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]. Але згодом німецький мікробіолог Карл Воуз (Carl 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]. 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.На сьогодні класифікація прокаріот, заснована на аналізі нуклеотидної послідовності гена 16S-РРНК, вважається обовязковою 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].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]. 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]. 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]; 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].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]. Деякі екстремальні археї комфортно себе почувають за температур вище 100°C завдяки підвищенню точки кипіння води в умовах високих гідростатичних і осмотичних тисків [9].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 на
План
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
