Thermus aquaticus: egenskaper, livscykel, applikationer

Thermus aquaticus är en termofil bakterie, upptäckt av Thomas Brock 1967, belägen i Phylum Deinococcus-Thermus. Det är en gram-negativ, heterotrofisk och aerob mikroorganisma som har termisk stabilitet som en egen egenskap.

Den erhålls från en mängd olika termiska källor mellan 50 ° C och 80 ° C, och pH 6, 0 till 10, 5, i Yellowstone National Park och i Kalifornien i Nordamerika. Det har också isolerats från artificiella termiska livsmiljöer.

Det är en källa till värmebeständiga enzymer, som överlever de olika deatureringscyklerna. I detta sammanhang är proteiner och enzymer av särskilt intresse för bioteknikindustrin.

Det här är hur enzymerna som komponerar det används i genteknik, i polymeraskedjereaktionen (PCR), och som ett verktyg för vetenskaplig och rättsmedicinsk forskning (Williams and Sharp, 1995).

Allmänna egenskaper

Det är gramnegativt

Thermus aquaticus, när den utsätts för Gram stain-processen, förvärvar en fuchsia-färgning. Detta beror på att peptidoglykanväggen är extremt tunn så att färgämnena inte blir fastna i den.

livsmiljö

Denna bakterie är konstruerad för att motstå extremt höga temperaturer. Detta innebär att dess naturliga livsmiljö är platser på planeten där temperaturer överstiger 50 ° C.

I den meningen har denna bakterie isolerats från gejsrar, som är de vanligaste i Yellowstone National Park; av heta källor runt om i världen, samt konstgjorda hetvattenmiljöer.

Det är aerobt

Detta innebär att Thermus aquaticus är en bakterie som måste finnas i miljöer som ger syretillgänglighet för att utföra sina metaboliska processer.

Det är termofilt

Detta är en av de mest representativa egenskaperna hos Thermus aquaticus . Denna bakterie har isolerats från platser där temperaturen är extremt hög.

Thermus aquaticus är en mycket speciell och resistent bakterie, eftersom de vid höga temperaturer är så höga som de som de stöder, och proteinerna i de flesta levande saker denatureras och misslyckas med att utföra sina funktioner irreversibelt.

Denna bakterie har en tillväxttemperatur som sträcker sig från 40 ° C till 79 ° C, med en optimal tillväxttemperatur på 70 ° C.

Han är heterotrofisk

Liksom någon heterotrof organism, kräver denna bakterie organiska föreningar som är närvarande i miljön att utvecklas. De viktigaste källorna till organisk material är bakterier och alger som finns i omgivningen, liksom den omgivande jorden.

Det utvecklas i lite alkaliska miljöer

Det optimala pH-värdet vid vilket Thermus aquaticus kan utvecklas utan proteiner som gör att den förlorar sin funktion ligger mellan 7, 5 och 8. Det är värt att komma ihåg att pH 7 är neutral. Ovanför detta är alkaliskt och under surt.

Det producerar mycket enzymer

Thermus aquaticus är en mikroorganisma som har varit mycket användbar experimentellt på grund av dess förmåga att leva i miljöer med höga temperaturer.

Tja, genom ett flertal undersökningar har det fastställts att det syntetiserar många enzymer som märkligt, i andra mikroorganismer, vid samma temperaturer, denaturerar och förlorar sin funktion.

De enzymer som syntetiseras av Thermus aquaticus som har studerats mest är;

  • aldolas
  • Taq I-restriktionsenzym
  • DNA-ligas
  • Alkaliskt fosfatas
  • Isocitrat dehydrogenas
  • amylomaltase

Fylogeni och taxonomi

Denna mikroorganism är inramad under det klassiska sättet:

  • Konungariket: Bakterier
  • Phylum: Deinococcus-Thermus
  • Klass: Deinokocker
  • Beställning: Termaler
  • Familj: Thermaceae
  • Genre: Thermus
  • Art: Thermus aquaticus.

morfologi

Bakteriet Thermus aquaticus tillhör gruppen av stavformade bakterier (baciller). Cellerna har ungefärlig storlek mellan 4 och 10 mikron. I mikroskopet kan du se mycket stora celler, såväl som små celler. De presenterar inte cilia eller flagella på cellytan.

Cellen i Thermus aquaticus har ett membran som i sin tur är integrerat av tre skikt: en intern plasma, en yttre av grov utseende och en mellanliggande.

En av de typiska egenskaperna hos denna typ av bakterier är att i sitt inre membran finns strukturer som ser ut som stavar, som är kända som rotunda kroppar.

På samma sätt innehåller dessa bakterier mycket liten peptidoglykan i sina cellväggar och, till skillnad från gram-positiva bakterier, innehåller de lipoproteiner.

När de utsätts för naturligt ljus kan bakterierna ta en gul, rosa eller röd färg. Detta beror på pigmenten som finns i bakteriecellerna.

Det genetiska materialet består av en enda cirkulär kromosom, i vilken DNA är innehållet. Av detta utgör cirka 65% nukleotider av guanin och cytosin, eftersom nukleotiderna av tymin och adenin utgör 35%.

Livscykel

I allmänhet reproducerar bakterier, inklusive T. aquaticus, aseksuellt genom celldelning. Den enda DNA-kromosomen börjar replikera; det replikeras för att kunna erva alla genetisk information från dotterceller, på grund av närvaron av enzymet som kallas DNA-polymeras. Vid 20 minuter är den nya kromosomen fullständig och fixerad vid en plats i cellen.

Divisionen fortsätter och efter 25 min har de två kromosomerna börjat dubbla. En uppdelning visas i mitten av cellen och vid 38 min. Dottercellerna har uppdelningen separerad av en vägg och slutar den asexuella uppdelningen vid 45-50 min. (Dreifus, 2012).

Cellstruktur och metabolism

Eftersom det är en gramnegativ bakterie har den ett yttre membran (lipoproteinskikt) och periplasma (vattenhaltigt membran), där peptidoglykan finns. Inga cilia observeras eller flagella.

Sammansättningen av lipiderna hos dessa termofila organismer måste anpassas till fluktuationerna i temperaturen i det sammanhang där de utvecklas för att upprätthålla funktionaliteten hos cellulära processer utan att förlora den kemiska stabilitet som är nödvändig för att undvika upplösning vid höga temperaturer (Ray et al. . 1971).

Å andra sidan har T. aquaticus blivit en sann källa till termostabila enzymer. Taq DNA-polymeras, är ett enzym som katalyserar lyset av ett substrat som alstrar en dubbelbindning, så den är relaterad till enzymer av lyas-typen (enzymer som katalyserar frisättningen av bindningar).

Med tanke på att den kommer från en termofil bakterie, motstår den långvariga inkubationer vid höga temperaturer (Lamble, 2009).

Det bör noteras att varje organism har DNA-polymeras för replikation, men på grund av sin kemiska sammansättning motstår inte höga temperaturer. Det är därför, att taq-DNA-polymeras är det huvudsakliga enzymet som används för att amplifiera sekvenser av det humana genomet, liksom genomerna av andra arter.

tillämpningar

Förstärka fragment

Den termiska stabiliteten hos enzymet tillåter den att användas i tekniker för att amplifiera DNA-fragment genom in vitro replikation, såsom PCR (polymeraskedjereaktion) (Mas and Colbs, 2001).

För detta krävs initiala och slutliga primrar (kort nukleotidsekvens som tillhandahåller en utgångspunkt för DNA-syntes), DNA-polymeras, deoxiribonukleotider, trifosfat, buffert och katjoner.

Reaktionsröret med alla element placeras i en termisk cykler mellan 94 och 98 grader Celsius, för att dela DNA i enkla kedjor.

Starta primers prestanda och återuppvärmning uppträder igen mellan 75-80 grader Celsius. Starta syntesen från 5'-änden till DNA'ens 3 '.

Här är vikten av att använda det termostabila enzymet. Om något annat polymeras användes skulle det förstöras under extrema temperaturer som är nödvändiga för att utföra processen.

Kary Mullis och andra forskare hos Cetus Corporation upptäckte att man inte skulle behöva tillsätta enzym efter varje cykel med termisk denaturering av DNA. Enzymet klonades, modifierades och producerades i stora mängder för kommersiell försäljning.

Katalysera biokemiska reaktioner

Studierna av termostabila enzymer har lett till tillämpningen på ett stort antal industriella processer och har varit ett genombrott inom molekylärbiologi. Från bioteknologiska synvinkel kan dess enzymer katalysera biokemiska reaktioner under extrema temperaturförhållanden.

Till exempel har forskning utvecklats för att utveckla en process för att hantera kycklingfjäderavfall utan användning av potentiellt infektiösa mikroorganismer.

Vi undersökte den biologiska nedbrytningen av kycklingfjädern medierad av produktionen av keratinolytiskt proteas, vilket innebär användningen av termofil icke-patogen T. aquaticus (Bhagat, 2012).

Livsmedelsbioteknik

Hydrolysen av gluten genom det termoaktiva serinpeptidasevalysinet av T. aquaticus börjar över 80 ° C vid brödtillverkning.

Med detta studeras det termostabila glutens relativa bidrag till brödsmulans konsistens (Verbauwhede och Colb, 2017).

Nedbrytning av polyklorerade bifenylföreningar

När det gäller användbarheten i industriområdet appliceras enzymerna av Thermus aquaticus som termofila bakterier vid nedbrytningen av polyklorerade bifenylföreningar (PCB).

Dessa föreningar används som kylmedel i elektrisk utrustning. Toxiciteten är mycket bred och dess nedbrytning är mycket långsam (Ruiz, 2005).