Как экстремофилы раздвигают границы жизни
Томас Брок, известный профессор микробной экологии, посещавший Йеллоустонский национальный парк в июле 1964 года, заметил отчетливые цветовые узоры в горячих источниках.
Цвета образовывали уникальную цветовую полосу в воде - результат температурных градиентов, которые образовывались, когда горячая вода постепенно охлаждалась по мере удаления от источника. Хотя яркие цвета в горячих источниках поражали своим видом, еще более примечательным для Брока был тот факт, что в этих температурных градиентах существовали отдельные колонии микроорганизмов. Некоторые колонии микроорганизмов присутствовали в воде, температура которой достигала 80℃.
Брок был заинтригован этим наблюдением и вместе со своим студентом Хадсоном Фризом проанализировал образцы микробной биомассы в источниках. Эти анализы показали наличие белков, но не хлорофилла, основного фотосинтетического пигмента как растений, так и фотосинтезирующих микробов. Брок и Хадсон решили, что это должны быть бактерии, и назвали их "гипертермофилами" (любителями экстремальных температур).
Впоследствии они выделили новую бактерию - Thermus aquaticus, которая может выживать при температуре 60-80℃. Открытие таких экстремофилов изменило взгляд ученых на условия существования бактерий, поскольку эти микроорганизмы были обнаружены в среде, где никто не ожидал, что может существовать жизнь, не говоря уже о ее процветании. Исследования экстремофилов с тех пор изменили некоторые наши представления о происхождении, фундаментальных особенностях и границах жизни. Экстремофилы также помогают разгадать, как метаболизм может быть изменен живыми клетками при неблагоприятных условиях.
Открытие T. aquaticus побудило ученых изучить механизмы, позволяющие микробам выживать в таких экстремальных условиях. Впоследствии были обнаружены другие микробы, живущие в различных типах суровых сред: очень холодной (психрофилы), кислой (ацидофилы), щелочной (алкалифилы), соленой (галофилы), высокого давления (пьезофилы/барофилы), с концентрацией тяжелых металлов (металлофилы) и в условиях недостатка солнечного света.
Некоторые микроорганизмы приспособлены к выживанию в более чем одном типе экстремальной среды, что дает им название "полиэкстремофилы". Горячие источники, например, не только невероятно теплые, но и могут быть очень кислыми или щелочными, в то время как в морских глубинах царит экстремальный холод и высокое давление. Микробы, приспособившиеся к жизни в таких условиях, разработали способы выживания в условиях многочисленных стрессов.
Что позволяет жизни поддерживать себя в таких экстремальных условиях? Некоторые экстремофилы содержат уникальные биомолекулы, которые относительно стабильны при экстремальных температурах и позволяют метаболическим реакциям протекать беспрепятственно. У термофилов есть ферменты термозимы, которые каталитически активны при высоких температурах. Удивительно, но аминокислотный состав, последовательность белков и структура термозимов очень похожи на мезофильные ферменты, которые оптимально функционируют при температуре от (25 до 35 °C). Более того, термозимы сохраняют свою функциональность при клонировании в мезофилы, что позволяет предположить, что термофильная способность закодирована в последовательности ДНК. Структурные особенности этих ферментов, такие как уникальные солевые мостики, обширные водородные связи и гидрофобные взаимодействия, как полагают, функционируют как стабилизирующие силы, обеспечивающие их термофильность.
Аналогичным образом, психрофилы имеют специальные ферменты, приспособленные для функционирования в холодных условиях. Эти ферменты сохраняют свою каталитическую активность благодаря широкой структурной гибкости. Благодаря кристаллографическим исследованиям и анализу протеома было обнаружено, что эти белки имеют уменьшенное количество пар ионов, пониженное взаимодействие внутри субъединиц, кластеризованные остатки глицина и большую доступность активного сайта. Эти особенности значительно снижают энергию активации, необходимую для жизни при низких температурах, и одновременно допускают конформационные изменения, сохраняющие каталитическую активность ферментов. Кроме того, белки-антифризы, связывающиеся со льдом и понижающие температуру поверхности для обеспечения роста микроорганизмов, являются еще одной особой адаптацией, которой обладают психрофилы.
Галофилы используют интересные стратегии, чтобы свести на нет воздействие высоких концентраций соли в окружающей среде. Некоторые галофилы накапливают ионы натрия в цитоплазме, другие накапливают хлорид калия для борьбы с осмотическим давлением солевого стресса. Галофилы также способны жестко регулировать ионно-опосредованный гомеостаз и регулировать текучесть своей плазматической мембраны для борьбы с окислительным стрессом. Для некоторых генов, участвующих в смягчении солевого стресса, были обнаружены дупликации генов, что наделяет эти микробы способностью выживать в соленой среде.
Пьезолиты, молекулы, которые стабилизируют клеточные белки против высокого давления, являются важным компонентом микробов, сталкивающихся с высоким гидростатическим давлением. Пьезотолерантные бактерии, такие как Myroides profundi, усваивают триметиламин, N-соединение, в изобилии встречающееся в океане, и метаболизируют его до оксида триметиламина. Оксид триметиламина функционирует как пьезолит и помогает клетке расти и выживать в гидростатической среде. Пьезофилы производят большое количество полиненасыщенных жирных кислот, которые помогают стабилизировать клеточную мембрану против давления. Наличие антиоксидантных белков является дополнительным механизмом выживания.
Радиофилы - еще один уникальный класс микробов, способных выживать в условиях вредного излучения. Принадлежащие в основном к семейству Deinococcaceae, эти микроорганизмы могут выдерживать интенсивные дозы гамма-излучения (в 3 000 раз больше, чем то, что может убить человека). Для объяснения этой уникальной способности было выдвинуто несколько гипотез, но полной картины до сих пор нет.
Первоначально исследователи объясняли радиофилию высокоточными механизмами восстановления ДНК. Однако дальнейшие исследования показали, что представители Deinococcaceae могут регулировать свой метаболизм путем экспрессии генов клеточной детоксикации. Кроме того, некоторые радиофилы синтезируют низкомолекулярные протеомные экраны, которые предотвращают деградацию белков под воздействием радиации. В последние годы исследования Deinococcus radiodurans выявили способность к синтезу новых белков, внутренне устойчивых к окислительному повреждению. В отличие от термофилии, радиофильные способности этих микробов, по-видимому, являются многофакторными, поскольку гены из Deinococcaceae при экспрессии в других организмах не обеспечивали защиту от радиации.
Фундаментальное и прикладное значение экстремофилов
Совершенствование филогенетических исследований
Экстремофилы представляют интересные возможности для изучения жизни в различных средах. Экстремофилы принадлежат ко всем трем областям древа жизни, т.е. археям, бактериям и эукариотам (водорослям и грибам). Однако большая часть экстремофилов относится к археям, а некоторые экстремофилы тесно связаны с "универсальным предком" жизни. Таким образом, экстремофилы занимают важное место в эволюционно-филогенетических исследованиях.
Подсказки о возможной жизни в космосе
Поскольку гиперэкстремофилы обитают в условиях, негостеприимных для большинства видов жизни, их рассматривают как модель внеземной жизни. Исследователи изучают микробную жизнь в таких местах, как Йеллоустонский национальный парк, Антарктида и Мертвое море, чтобы выделить их. Например, штамм Methanopyrus, выделенный из гидротермального жерла "черного курильщика", растет при температуре 120℃, а другой микроб Picrophilus может существовать в условиях, когда pH составляет всего 0,06, например, в сольфатарных озерах в Японии, откуда он был выделен.
Такие микроорганизмы могут дать ключ к пониманию того, как может существовать жизнь на других планетах. Совсем недавно исследователи обнаружили следы жизни в геологических образцах в пустыне Атакама в Чили. Эти образцы, известные как "Красный камень", содержали гематит и были геологически аналогичны марсианскому грунту. Интересно, что ни одна из обнаруженных форм жизни не может быть правильно классифицирована филогенетически. Исследователи пришли к выводу, что изучение экстремофилов на Земле может дать больше ключей к разгадке того, существовала ли подобная жизнь когда-то на Марсе и других планетах.
Полимеразная цепная реакция
Помимо того, что экстремофилы дают фундаментальные знания о жизни в экстремальных условиях, они также имеют значение для ряда важных биотехнологических приложений. Например, ПЦР, которая так необходима сегодня в медицине, промышленной биотехнологии и генетике, обязана своим появлением T.aquaticus. Taq-полимераза, до сих пор уникальная для T. aquaticus, является каталитическим ферментом, необходимым для реакций ПЦР, что делает открытие Броком T. aquaticus еще более примечательным.
Применение в промышленной биотехнологии
Аналогичным образом, работа ферментов в экстремальных условиях сделала их достойной альтернативой лабильным мезофильным ферментам в промышленной биотехнологии. Фермент протеолизин, который может помочь в переработке органических твердых отходов, получен из Coprothermobacter proteolyticus. Этот фермент может работать в широком диапазоне pH и высоких температур в присутствии органических растворителей и детергентов, которые обычно разрушают активность фермента.
Такие ферменты, как β-галактозидаза, полученные из Halorubrum lacusprofundi, психрофила, имеют большое значение для производства олигосахаридов. В экстремофилах было обнаружено несколько молекул, обладающих антибиотическими, противораковыми и антиоксидантными свойствами, и в настоящее время ведутся работы по их коммерческому производству.
Физиологические адаптации экстремофилов очень разнообразны, и вместе с их применением экстремофилы представляют собой ценный экологичный ресурс, играющий важную роль в экономике, основанной на биологических принципах.
