VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Введение

Археи (лат. Archaea) — домен живых организмов, к которому относятся одноклеточные прокариоты, на молекулярном уровне заметно отличающиеся как от бактерий, так и от эукариотов. Отличия наблюдаются в компонентах синтеза белка, структуре клеточной стенки, биохимии (только среди архей есть метаногены) и устойчивости к факторам внешней среды (большая часть — экстремофилы).

История открытия

Во второй половине ХХ века Томас Брок начал поиски жизни в гипертермальных источниках Йеллоустонского национального парка (США), которые из-за температур выше 70 °С считались непригодными для жизни. Несмотря на рост клеток на погруженных в источники стеклянных пластинках и культивирование отдельных неидентифицированных микроорганизмов in vitro, биологи долго не верили в существование жизни в столь экстремальных условиях. Однако когда развитие молекулярной биологии привело к открытию принципа полимеразной цепной реакции, из культивируемых термофильных бактерий Thermus aquaticus из коллекции Томаса Брока был выделен необходимый термоустойчивый фермент – ДНК-зависимая ДНК- полимераза.

Датой открытия архаичных бактерий принято считать 1977 г., когда была опубликована классификация метаногенных бактерий на основании сравнительного анализа нуклеотидных последовательностей гена 16S рибосомной РНК и была предложена новая классификация живых организмов с выделением 3 царств: архебактерий, эубактерий и эукариот. Хотя на цитологическом уровне архебактерии обладают типичными признаками для всех прокариот, являющихся безъядерными клетками диаметром около 1 мкм без внутриклеточной компартментализации , на молекулярном уровне они отличаются как от бактериальных, так и от эукариотических клеток. Три самостоятельные линии развития было предложено относить к доминионам и называть археями (Archae), бактериями или эубактериями (Bacteria) и эукариями (Eukarya) вместо эукариот для созвучности с другими названиями.

В настоящее время в доминионе архей выделяют 4 царства или типа:

1) Crenarchaeota (термофилы, термоацидофи- лы, серные анаэробные бактерии);

2) Euryarchaeota (метаногенные и галофильные археи);

3) Nanoarchaeota – единственный известный представитель Nanoarchaeum equitans – симбионт или паразит гипертермофильного вида архей Ignicoccus, обитающих в гидротермальных системах США, Исландии и на Камчатке;

4) Korarchaeota – ДНК обнаружены в геотермальных источниках США, Исландии, на рисовых полях Японии, культивируемые виды пока неизвестны.

Морфология

Средний диаметр клеток архей 1 мкм, типичный для большинства известных прокариот. Клетки Nanoarchaeum equitans – самые маленькие среди архей, диаметром до 0,4 мкм. Помимо обычных для прокариот форм клеток в виде кокков (в том числе, с выступами или с дольками) или палочек (прямых или спиралевидных), среди архей также найдены клетки в виде почтовых марок и треугольников. Жгутики архей могут располагаться на 1–2 полюсах клеток или по всей поверхности. Поскольку белок флагеллин, составляющий основу жгуиков эубактерий, неустойчив в кислой среде, то у архей он замещается гликопротеинами, из которых состоят бактериальные пили. Собственно пили у архей не описаны.

В отличие от других микроорганизмов, археи в составе мембранных липидов имеют не жирные кислоты, а многоатомные спирты, обычно с 20 или 40 атомами углерода. В последнем случае липидная пластина мембраны образована мономолекулярным слоем, что придает мембране особую прочность.

У архей отсутствует пептидогликановая клеточная стенка, поэтому они устойчивы к пенициллину. Над плазматической мембраной они имеют слой белков или гликопротеинов. Грамположительные археи характеризуются наличием псевдомуреина в стенках, в состав которого помимо N-ацетилглюкозамина, присутствующего и в эубактериальных муреиновых клеточных стенках, входит ранее неизвестная N-ацетилталозаминуроновая кислота. Однако при окрашивании псевдомуреин часто разрушается. Поэтому лишь некоторые метаногены (в частности, Methanobacterium formicicum и терминальные пробки Methanospirillum hungatei) имеют грамположительную окраску

Мембраны архей отличаются от мембран клеток из других доминионов по 3 основным признакам:

1. L-изомер глицерина – вместо D-глицерина в мембранах бактерий и эукариот;

2. Насыщенный полиизопрен – фитанил (3,7,11,15-тетраметилгексадесил) с 4 боковыми СH3-группами вместо неразветвлённых жирных кислот длиной 16–18 атомов углерода для ранее известных мембран;

3. Простые эфирные связи между L-глицерином и фитанилом, имеющие лишь один атом кислорода.

В отличие от бактерий в мембранах архей и эукариот присутствует фосфатидилинозит.

Как правило, археи имеют одиночную кольцевую хромосому, размер которой может достигать 5 751 492 пар нуклеотидов у Methanosarcina acetivorans, обладающей самым большим известным геномом среди архей. Одну десятую размера этого генома составляет геном с 490 885 парами нуклеотидов у Nanoarchaeum equitans, имеющего самый маленький известный геном среди архей; он содержит лишь 537 генов, кодирующих белки. Также у архей обнаружены более мелкие независимые молекулы ДНК, так называемые плазмиды. Возможно, плазмиды могут передаваться между клетками при физическом контакте, в ходе процесса сходного с конъюгацией бактерий.

Археи могут поражаться вирусами, содержащими двухцепочечную ДНК. Эти виды неродственны другим группам вирусов и имеют различные необычные формы, включая бутылки, крючки и капли. Эти вирусы были тщательно изучены на термофилах, в основном отрядов Sulfolobales и Thermoproteales. В 2009 году был открыт вирус, содержащий одноцепочечную ДНК и поражающий галофильные археи^[95]. Защитные реакции архей против вирусов могут включать механизм, близкий к РНК-интерференции эукариот.

Археи генетически отличны от эукариот и бактерий, причём до 15 % белков, кодируемых одним геномом археи, уникальны для этого домена, хотя функции большинства этих белков неизвестны. Большая часть уникальных белков, функция которых известна, принадлежит эвриархеотам и задействована в метаногенезе. Белки, общие для архей, бактерий и эукариот, участвуют в основных клеточных функциях и касаются в основном транскрипции, трансляции и метаболизма нуклеотидов. К другим особенностям архей можно отнести организацию генов, выполняющих связанные функции (к примеру, гены, ответственные за разные этапы одного и того же метаболического процесса), в опероны и большие отличия в строении генов тРНК и их аминоацил-тРНК синтетаз.

Археи размножаются бесполым путём: бинарным или множественным делением, фрагментацией или почкованием. Клеточное деление определяется клеточным циклом: после того, как хромосома реплицировалась и две дочерние хромосомы разошлись, клетка делится. Детали были изучены лишь у рода Sulfolobus, но особенности его цикла очень схожи с таковыми и у эукариот, и у бактерий. Репликация хромосом начинается с множественных точек начала репликации с помощью ДНК-полимеразы, похожей на аналогичные ферменты эукариот. Однако белки, управляющие клеточным делением, такие как FtsZ, которые формируют сжимающее кольцо вокруг клетки, и компоненты септы, проходящей через центр клетки, схожи с их бактериальными эквивалентами.

Археи не образуют споры. Некоторые виды Haloarchaea могут претерпевать смену фенотипа и существовать как клетки нескольких различных типов, включая толстостенные клетки, устойчивые к осмотическому шоку и позволяющие археям выживать в воде с низкой концентрацией соли. Однако эти структуры не служат для размножения, а скорее помогают археям осваивать новые среды обитания.

Клетки некоторых видов архей могут объединяться в агрегаты и филаменты длиной до 200 мкм. Эти организмы могут формировать биоплёнки. В культурах Thermococcus coalescens клетки сливаются друг с другом, формируя одну крупную клетку. Археи рода Pyrodictium образуют сложные многоклеточные колонии, в которых клетки объединены с помощью длинных, тонких, полых трубок, называемых cannulae, которые выступают над поверхностями клеток и собирают их в густое кустовидное скопление. Функции этих трубок не ясны, но, возможно, они осуществляют коммуникацию и обмен питательными веществами между соседними клетками.

Экология

Впервые археи были обнаружены в экстремальных условиях, свободных от представителей других царств. Экстремофилов условно разделяют на термофилов (устойчивых к температурам 45–113 °С); психрофилов (размножающихся при температурах от –10 до +15 °C); ацидофилов (резистентных к средам с pH 1–5); алкалифилов (репродуцирующихся при pH 9–11), барофилов (выдерживающих давление до 700 атм.); галофилов (способных к выживанию в 25–30 % NaCl) и ксерофилов (обитающих в необычайно сухих условиях). Однако в реальных условиях несколько факторов одновременно оказываются экстремальными. Так, в старых шахтах с большим содержанием железного колчедана FeS происходит его окисление до серной кислоты с выделением тепла. Обитающая на таких угольных отвалах Thermoplasma acidophilum имеет оптимальный рост при 55 °С и рН 2. В настоящее время очевидно, что археи распространены более широко, чем изначально предполагали. По оценкам специалистов, суммарная биомасса архей 1014 тонн превышает биомассу всех ранее известных форм жизни на Земле.

Археи найдены на слизистых оболочках кишечника, урогенитального тракта и ротовой полости людей, в желудочно-кишечном тракте животных, внутри пресноводных и морских простейших. Среди архей-симбионтов наиболее распространены метаногены и сульфатредуцирующие микроорганизмы. В рубце коров метаногены Methanobrevibacter ruminantium и Methanomicrobium mobile производят 200– 400 л метана в день. Эмиссия метана из прямого кишечника происходит, в среднем, у 37 % мужчин и 63 % женщин, что может свидетельствовать о присутствии метаногенных архей. Образование метана достигает максимума у лабораторных крыс после периода грудного вскармливания в процессе стабилизации формирования собственной микрофлоры кишечника, следовательно, этот приобретённый признак зависит от окружающей среды. Недавно в ротовой полости у 36 % больных периодонтитом методами количественной ПЦР и флуоресцентной гибридизации выявлены метаногенные археи, среди которых доминирует Methanobrevibacter oralis. Хотя количество геном-эквивалентов архей локально уменьшается при лечении, это не может служить доказательством их патогенности. До настоящего времени патогенность архей для людей, животных, растений или других бактерий не доказана. Несмотря на наличие токсинов в клетках архей, их токсичность для людей и животных не доказана. Удивительно, что горизонтальный обмен генами не привёл к миграциям «островков патогенности» из геномов бактерий в ДНК архей .

Метаногенные археи найдены даже в цитоплазме эукариотических клеток.

Транскрипция и трансляция архей больше напоминают эти процессы в клетках эукариот, чем бактерий, причём РНК-полимераза и рибосомы архей очень близки к аналогичным структурам у эукариот. Хотя у архей есть лишь один тип РНК-полимеразы, по строению и функции в транскрипции она близка к РНК-полимеразе II эукариот, при этом схожие группы белков (главные факторы транскрипции) обеспечивают связывание РНК-полимеразы с промотором гена. В то же время другие факторы транскрипции архей более близки к таковым у бактерий. Процессинг РНК у архей проще, чем у эукариот, так как большинство генов архей не содержит интронов, хотя в генах их тРНК и рРНК их достаточно много, также они присутствуют в небольшом количестве генов, кодирующих белки

Значение в технологии и промышленности

Экстремофильные археи, особенно устойчивые к высоким температурам или повышенной кислотности/щёлочности среды, являются источником ферментов, работающих в этих суровых условиях. Эти ферменты находят множество применений. Например, термостабильные ДНК-полимеразы, такие как Pfu ДНК-полимераза вида Pyrococcus furiosus, полностью изменили молекулярную биологию, дав возможность использовать полимеразную цепную реакцию для простого и быстрого клонирования ДНК. В промышленности амилазы, галактозидазы и пуллуланазы других видов Pyrococcus, функционирующие при температуре свыше 100 °C, применяются при производстве продуктов питания при высоких температурах, к примеру, при производстве молока и сыворотки с низким содержанием лактозы. Ферменты этих термофильных архей остаются очень стабильными в органических растворителях, что позволяет использовать их в безопасных для окружающей среды процессах в зелёной химии для синтеза органических соединений. Их стабильность делает эти ферменты удобными для использования в структурной биологии, поэтому аналоги ферментов бактерий и эукариот, получаемые из экстремофильных архей, часто применяются в структурных исследованиях.

По сравнению с применением ферментов архей, использование самих организмов в биотехнологии развито слабо. Метанообразующие археи являются важной частью водоочистных сооружений, так как они входят в сообщество микроорганизмов, осуществляющих анаэробное разложение и образование биогаза. В обогащении полезных ископаемых ацидофильные археи могут использоваться для получения металлов из руд, в том числе золота, кобальта и меди.

Археи могут дать потенциально полезные антибиотики. Пока описано мало археоцинов, но предполагается, что их существует сотни, особенно много их может быть получено из родов Haloarchaea и Sulfolobus. Эти антибиотики по структуре отличны от бактериальных, поэтому они могут иметь другие механизмы действия. Кроме того, они могут позволить создать селектируемые маркеры для использования в молекулярной биологии архей.

Список литературы

1. Громов Б.В. Удивительный мир архей // СОЖ. — 1997. — № 4. — С. 23—26.

2. Воробьева Л. В. Археи: Учебное пособие для вузов. — М.: Академкнига, 2007. — 447 с.

3. Морозова О. В. Загадки архей и их фагов // Вестник ВОГиС. — 2005. — Том 9. — № 1. — С. 55—66

Код для цитирования: Скопировать