Deinococcus radiodurans

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Progetto:Forme di vita/Come leggere il tassoboxCum să citiți caseta
Deinococcus radiodurans
Deinococcus radiodurans.jpg
Clasificare științifică
Domeniu Prokaryota
Regatul Bacterii
Phylum Deinococcus-Thermus
Ordin Deinococale
Tip Deinococ
Specii D. radiodurani
Nomenclatura binominala
Deinococcus radiodurans
Brooks & Murray, 1981

Deinococcus radiodurans (Brooks & Murray, 1981) [1] este o bacterie extremofilă , unul dintre cele mai rezistente organisme cunoscute în lume. Este o specie anume, capabilă să reziste la doze de radiații mult superioare celor necesare pentru a ucide orice animal [2] . Bacteria este capabilă să reasambleze structura funcțională a cromozomilor săi după ce aceștia din urmă au fost distruși prin tratament radioactiv. De asemenea, este capabil să supraviețuiască condițiilor extreme de frig, deshidratare , goliciune și aciditate : din acest motiv este considerată, de asemenea, o bacterie poliextremofilă [3] și a fost inclusă în Cartea Recordurilor Guinness ca fiind „ cea mai rezistentă la radiații a vieții . al lumii ". [4] [5]

Numele și clasificarea

Denumirea științifică Deinococcus radiodurans înseamnă „ cocos terifiant rezistent la radiații” . Ca urmare a rezistenței sale, el a fost supranumit și „ Conan , bacteria ”. [6]

Clasificat inițial ca Micrococcus ( M. radiodurans ), după o evaluare atentă a ribozomului , ARN-ului și a altor caracteristici evidente, a fost reclasificat ca un Deinococcus strâns legat de genul Thermus , un tip de bacterie rezistentă la căldură. [7] Deinococcus este singurul gen din ordinul Deinococcales ; D. radiodurans este cea mai studiate specii din genul, dar toate bacteriile cunoscute de același gen sunt radio- rezistente: D. proteolyticus, D. radiopugnans, D. radiophilus, D. grandis, D. indicus, D. frigens, D . saxicola , D. marmola , D. geothermalis și D. murrayi ; ultimele două sunt, de asemenea, termofile . [8]

Descoperire

D. radiodurans a fost descoperit în 1956 de Arthur W. Anderson la stația de experimentare agricolă din Oregon din Corvallis [9] în cursul unui experiment pentru a determina dacă conservele pot fi sterilizate folosind doze mari de raze gamma . Un pachet de conserve de carne a fost expus unei doze mari de radiații , considerate suficiente pentru a ucide toate formele de viață prezente în el, dar o analiză ulterioară a alimentelor iradiate a fost izolată de bacterie. Secvența completă a D. radiodurans a fost publicată în 1999 de Institutul pentru Cercetări Genomice , urmată de o analiză detaliată în 2001 . [7]

Descriere

D. radiodurans este o bacterie sferică, destul de mare având un diametru între 1,5 și 3,5 µm . Apare de obicei într-o structură cu patru celule care constituie o tetradă ; coloniile sunt netede, convexe, cu o culoare variabilă de la roz la roșu; poate fi reprodus în cultură și nu pare să provoace boli. [7] Pare Gram-pozitiv , deși capsula este neobișnuită și seamănă cu pereții celulari ai bacteriilor Gram-negative . [10] D. radiodurans nu formează endospori , nu este mobil și este considerat un organism aerob , precum și un organism chemorganotrofic , deoarece folosește oxigenul pentru a obține energie din compușii organici din mediul său. Se găsește adesea în habitate bogate în materiale organice, cum ar fi solul , fecalele , carnea sau în canalizare, dar a fost izolat și de alimente deshidratate, pulberi de uz casnic, instrumente medicale și țesături pentru îmbrăcăminte. [10] Este extrem de rezistent la radiații ionizante , la razele ultraviolete , la ultraviolete luminoase, la deshidratare , la „ oxidare și expunere la agenți electrofili .

Genomul

Genomul său este compus din doi cromozomi circulari, primul constând din 2,65 milioane de perechi de baze, al doilea din 412.000 de perechi de baze; o megaplasmidă compusă din 177.000 de perechi de baze și o plasmidă compusă din 46.000 de perechi de baze. Este alcătuit din aproximativ 3 195 de gene . [7] [11] În faza sa staționară, fiecare celulă bacteriană conține patru copii ale genomului său. În etapele de multiplicare rapidă, fiecare bacterie conține 8 până la 10 copii ale genomului. [12] [13] [14]

Rezistența la radioactivitate

O doză de 10 Gy de radiații ionizante este suficientă pentru a ucide o ființă umană; o doză de 60 Gy este suficientă pentru a distruge toate celulele unei culturi de E. coli ; D. radiodurans este capabil să reziste la o doză unitară de 5 000 Gy fără a pierde vitalitatea, menținând 37% chiar și atunci când este supus unei doze de radiații de 15 000 Gy. Se estimează că o doză de 5.000 Gy este capabilă să introducă câteva sute de ADN într-un organism. Pe lângă deinococi, sunt cunoscute și alte specii de bacterii rezistente la radiații: Chroococcidiopsis ( filul Cianobacterii ) și unele specii de rubrobacterii ( filul Actinobacteria ). Dintre archaea , specia Thermococcus gammatolerans prezintă rezistență comparabilă cu D. radiodurans . [8]

Mecanismul de rezistență la radioactivitate

Rezistența acestei bacterii la radiații se datorează atât posesiei mai multor copii ale genomului, cât și mecanismului rapid de reparare a ADN-ului . [7] Reparația cromozomului are loc pe parcursul a 12-24 de ore, prin două etape de recombinare omoloagă : în prima etapă, D. radiodurans reconectează unele fragmente ale cromozomilor printr-un proces numit recoacere monocatenară (SSA); în următorul, o proteină repară pauzele în firul dublu. Acest proces de reparare nu introduce mai multe mutații decât replicarea obișnuită.

Unul dintre misterele încă nerezolvate ale lui D. radiodurans este motivul pentru care bacteria prezintă un astfel de grad de rezistență la radiații. Nivelurile actuale de radiații de fundal ale mediului înconjurător sunt foarte scăzute: în majoritatea cazurilor se stabilesc pe valori de ordinul a 0,4 mGy pe an, cu unele excepții care diferă semnificativ de media, cum ar fi în Ramsar , în Iran , unde fundalul natural, deși scăzut, atinge 260 mGy pe an. Cu astfel de niveluri scăzute de radiații de fond, nu este clar care ar fi putut fi presiunea selectivă care ar fi putut oferi un avantaj evolutiv unei astfel de bacterii rezistente la radiații.

Valerie Mattimore și John R. Battista de la Universitatea din Louisiana au sugerat că radiorezistența organismului este, mai degrabă, un efect secundar al uscării prelungite a celulelor. În sprijinul acestei ipoteze, ei au efectuat un experiment în care au demonstrat că tulpinile mutante ale bacteriei, extrem de susceptibile la daune radioactive, sunt la fel de susceptibile la daune datorate uscării prelungite; în timp ce exemplarele de tip sălbatic sunt rezistente la ambele. [15] Mai mult, în timpul reparării ADN- ului, D. radiodurans folosește o proteină numită LEA ( Embryogenesis Late Abundant ) [16] utilizată expres pentru a proteja corpul de uscare. [17] Analizele cu microscop electronic cu scanare arată, de asemenea, că ADN-ul bacteriei este organizat în pachete toroidale foarte compacte, ceea ce ar putea facilita repararea ADN-ului. [18]

O echipă de cercetători croați și francezi a bombardat ADN-ul bacteriei pentru a urmări în detaliu mecanismul de reparare. Cel puțin două copii ale genomului, care au suferit pauze aleatorii în ADN, au reușit să reformeze fragmentele de ADN prin procesul de recoacere . Sinteza regiunilor omoloage ale ADN-ului a avut loc ulterior pornind de la fragmentele parțial suprapuse prin formarea unei bucle D care a continuat să se extindă până la recunoașterea secțiunilor complementare. Procesul sa încheiat cu încrucișarea prin recombinare omoloagă dependentă de RecA . [19]

Michael Daly a sugerat că bacteria folosește manganul (Mn) ca antioxidant pentru a se proteja de daunele provocate de radiații. [20] În 2008, echipa sa a demonstrat că nivelul ridicat de Mn 2+ intracelular în D. radiodurans protejează proteinele de daunele cauzate de oxidarea radiațiilor și a propus ideea că „este proteina și nu ADN-ul, principala țintă a acțiunii biologice [de radiații ionizante] la bacteriile sensibile, iar rezistența extremă a bacteriilor care acumulează mangan depinde de protecția oferită acestor proteine . ' [21]

În 2016, Massimiliano Peana și colegii au raportat un studiu spectroscopic prin tehnici RMN, EPR și ESI-MS privind interacțiunea Mn (II) cu două peptide, DP1 (DEHGTAVMLK) și DP2 (THMVLAKGED), a căror compoziție de aminoacizi a fost selectată pentru a include aminoacizii prevalenți găsiți în extractele fără celule ale bacteriei Deinococcus radiodurans care conțin componentele capabile să confere rezistență extremă la radiațiile ionizante. [22]

O echipă de oameni de știință ruși și americani a propus că radiorezistența D. radiodurans (și a altor bacterii similare precum Rubrobacter radiotolerans și Rubrobacter xylanophylus ) are origini marțiene . Potrivit acestor autori, evoluția microorganismului ar fi putut să aibă loc pe suprafața lui Marte și apoi să se răspândească pe Pământ ca urmare a unui impact meteoric . [23] S-a emis, de fapt, ipoteza că unele roci marțiene ar fi putut primi suficientă energie cinetică - cum ar fi să atingă viteza de evacuare - în urma impactului asteroizilor sau cometelor la suprafață. Efectul termic al impactului și intrării în atmosfera Pământului nu ar fi inactivat bacteria, deja destul de rezistentă și protejată în interiorul meteoritului (o analiză a compoziției multor meteoriți marțieni a relevat, de fapt, că majoritatea acestor obiecte nu au avut niciodată a depășit 100 ° C). [23] Cu toate acestea, în afară de rezistența extremă la radiații, D. radiodurans este similar din punct de vedere genetic și biochimic cu alte forme de viață terestre, circumstanță care argumentează împotriva ipoteticii origini extraterestre.

Aplicații

Prin utilizarea tehnicilor de inginerie genetică , Deinococcus a fost utilizat în scopuri de mediu pentru eliminarea, prin digestie bacteriană, a solvenților și a metalelor grele, chiar și în medii extrem de radioactive. Gena care codifică „ enzima mercur-reductazei bacteriene a fost clonată din Escherichia coli în Deinococcus, pentru a detoxifica reziduul de mercur prezent în deșeurile radioactive generate în producția de arme nucleare. [24] Aceiași cercetători au dezvoltat o tulpină de Deinococcus capabilă să detoxifieze și să recupereze atât mercurul, cât și toluenul în depozite mixte de deșeuri radioactive.

Institutul Craig Venter a folosit un sistem derivat din mecanismul rapid de reparare a ADN-ului de D. radiodurans pentru a asambla fragmente sintetice de ADN în cromozomi în scopul final de a produce un organism sintetic numit Mycoplasma Laboratoire . [25]

În 2003 , oamenii de știință americani au demonstrat că D. radiodurans ar putea fi folosit ca dispozitiv de stocare capabil să supraviețuiască unei catastrofe nucleare. Cercetătorii au tradus piesa It's a Small World [26] într-o serie de segmente de ADN de 150 de perechi de baze în lungime, au introdus-o în bacterie și au reușit să o recupereze fără erori 100 de generații de bacterii mai târziu. [27]

Deinococcus radiodurans în cultura de masă

  • Jocul video Anarchy Online include un articol numit Deinococcus radiodurans , care în joc este folosit pentru a produce un „stimul” (poțiune) care reduce daunele cauzate de sursele radioactive.
  • Nuvela lui Michael F. Flynn „ The Washer at the Ford ” își articulează complotul în jurul dezvoltării unui tratament de „vaccinare împotriva radiațiilor” prin intermediul nanomașinelor capabile să repare ADN-ul printr-un mecanism de reparație inspirat de cel al radioduranilor D (menționat de vechiul numele lui M. radiodurans ).

Notă

  1. ^ Brooks BW, Murray RGE (1981). Nomenclatura pentru „Micrococcus radiodurans” și alți coci rezistenți la radiații: Deinococcaceae fam. noiembrie și Deinococcus gen. noiembrie, inclusiv cinci specii . Jurnalul internațional de microbiologie sistematică și evolutivă 31 : 353.
  2. ^ Cu excepția filului Tardigrada , care a demonstrat o rezistență foarte mare la radiații.
  3. ^ Faceți cunoștință cu Conan Bacterium , pe science.nasa.gov , NASA Science News, 14 decembrie 1999 .
  4. ^ Cele mai multe forme de viață rezistente la radiații , guinnessworldrecords.com , Guinness World Records, 2012 ..
  5. ^ Sarah DeWeerdt, Cea mai dură bacterie din lume , pe genomenewsnetwork.org , Genome News Network, 5 iulie 2002 .
  6. ^ Patrick Huyghe, Conan the Bacterium ( PDF ), în The Sciences ( New York Academy of Sciences ) , iulie / august 1998, pp. 16-19.
  7. ^ a b c d e KS Makarova, L Aravind, YI Wolf, RL Tatusov, KW Minton, EV Koonin, MJ Daly, Genomul bacteriei extrem de rezistente la radiații Deinococcus radiodurans privit din perspectiva genomicii comparative , în Microbiologie și biologie moleculară recenzii: MMBR , vol. 65, nr. 1, 2001-03, pp. 44–79, DOI : 10.1128 / MMBR.65.1.44-79.2001 , ISSN 10922172 ( WC ACNP ) , PMID 11238985 .
  8. ^ a b Michael M Cox, John R Battista, Deinococcus radiodurans - supraviețuitorul consumat ( PDF ), în Nature Reviews Microbiology , vol. 3, nr. 11, 2005-11, pp. 882–92, DOI : 10.1038 / nrmicro1264 , ISSN 17401526 ( WC ACNP ) , PMID 16261171 (arhivat din original la 3 februarie 2012) .
  9. ^ AW Anderson, HC Nordan, RF Cain, G Parrish, D Duggan, Studii asupra unui micrococ radio-rezistent. I. Izolarea, morfologia, caracteristicile culturale și rezistența la radiații gamma , în Food Technol. , vol. 10, nr. 1, 1956, pp. 575–577.
  10. ^ a b JR Battista, Against Odds: the survival survival of Deinococcus radiodurans , în Revista anuală a microbiologiei , vol. 51, 1997, pp. 203–24, DOI : 10.1146 / annurev.micro . 51.1.203, ISSN 00664227 ( WC ACNP ) , PMID 9343349 .
  11. ^ "Secvența completă a genomului bacteriei rezistente la radiații Deinococcus radiodurans R1 este compusă din doi cromozomi (2.648.638 și 412.348 perechi de baze), un megaplasmid (177.466 perechi de baze) și un plasmid mic (45.704 perechi de baze), producând un genom total din 3.284.156 perechi de baze. " (White et alii [1999], Secvența genomului bacteriei radiorezistente Deinococcus radiodurans R1 , Science 286 (5444): 1571-1577)
  12. ^ "D. radiodurans conține 8 până la 10 copii ale genomului haploid în timpul creșterii exponențiale și 4 copii ale genomului în timpul fazei staționare " (Makarova și alii, op. cit.)
  13. ^ Harsojo, S Kitayama, A Matsuyama, Multiplicitatea genomului și rezistența la radiații în Micrococcus radiodurans , în Jurnalul de Biochimie , vol. 90, 1981, pp. 877-880.
  14. ^ Mogens T Hansen, Multiplicitatea echivalenților genomului în bacteria rezistentă la radiații Micrococcus radiodurans , în Journal of Bacteriology , vol. 134, nr. 1, 1978, pp. 71-75.
  15. ^ Mattimore V, Battista JR, Radioresistance of Deinococcus radiodurans: funcțiile necesare supraviețuirii radiațiilor ionizante sunt, de asemenea, necesare pentru a supraviețui desecării prelungite , în Journal of Bacteriology , vol. 178, nr. 3, 1996, pp. 633-637, PMID 8550493 .
  16. ^ Goyal K, Walton LJ, Tunnacliffe A, proteinele LEA previn agregarea proteinelor din cauza stresului apei , în Biochemical Journal , vol. 388, Pt 1, 2005, pp. 151–157, DOI : 10.1042 / BJ20041931 , PMID 15631617 .
  17. ^ Battista JR, Park MJ, McLemore AE, Inactivarea a doi omologi de proteine ​​presupuse a fi implicate în desicarea Toleranței plantelor Sensibilizează Deinococcus radiodurans R1 la desicare , în Criobiologie , vol. 43, nr. 2, 2001, pp. 133–139, DOI : 10.1006 / crio . 2001.2357 , PMID 11846468 .
  18. ^ Levin-Zaidman S, Englander J, Shimoni E, Sharma AK, Minton KW, Minsky A, Structură asemănătoare a Deinococcus radiodurans Genomul: o cheie pentru rezistență la radiorezistență? , în Știință , vol. 299, nr. 5604, 2003, pp. 254-256, DOI : 10.1126 / science.1077865 , PMID 12522252 .
  19. ^ Zahradka K, Slade D, Bailone A, Sommer S, Averbeck D, Petranovic M, Lindner AB, Radman M, Reasamblarea cromozomilor sfărâmați în Deinococcus radiodurans , în Nature , vol. 443, nr. 7111, 2006, pp. 569–573, DOI : 10.1038 / nature05160 , PMID 17006450 .
  20. ^ Pearson, Helen, Secretul insectelor rezistente la radiații propuse . Nature.com , Nature News, 30 septembrie 2004. Accesat la 19 iunie 2006 .
  21. ^ "Proteinele, mai degrabă decât ADN-ul, sunt ținta principală a acțiunii biologice a [radiațiilor ionizante] în bacteriile sensibile, iar rezistența extremă în bacteriile care acumulează Mn se bazează pe protecția proteinelor" . În Michael J. Daly, Elena K. Gaidamakova, Vera Y. Matrosova, Alexander Vasilenko, Min Zhai, Richard D. Leapman, Barry Lai, Bruce Ravel, Shu-Mei W. Li, Kenneth M. Kemner, James K. Fredrickson, Oxidarea proteinelor implicată ca determinant primar al radiorezistenței bacteriene , în PLoS Biology , vol. 5, nr. 4, 1 aprilie 2007, pp. e92 EP -, DOI : 10.1371 / journal.pbio.0050092 . Adus la 28 ianuarie 2008.
  22. ^ Peana M, Medici S, Pangburn HA, Lamkin TJ, Ostrowska M, Gumienna-Kontecka E, Zoroddu MA, Manganese obligatorii la peptidele antioxidante implicate în rezistența la radiații extreme în Deinococcus radiodurans , în Journal of Inorganic Biochemistry , vol. 164, 2016, pp. 49–58, DOI :10.1016 / j.jinorgbio.2016.08.012 .
  23. ^ a b Conform acestei ipoteze, evoluția microorganismelor ar fi avut loc în regiunile polare de pe Marte unde oscilațiile periodice ridicate (20 ° peste 1,2x10 5 ani) ale oblicității planetei s-au produs în timp (calculat pentru ultimul 80 de milioane de ani) cele mai mari variații ale insolației și temperaturii suprafeței. În aceleași regiuni, atmosfera subțire marțiană - deja incapabilă să protejeze în mod eficient radiațiile cosmice - a suferit, de-a lungul a milioane de ani, oscilații mari ale masei sale (aproximativ 50%) cauzate de alternarea perioadelor mai calde și mai lungi. rece în istoria planetei. Dacă în perioadele mai calde, topirea parțială a calotei polare și densitatea atmosferică relativ mai mare ar fi putut oferi un teren de reproducere adecvat pentru aceste bacterii chiar sub suprafață, în perioadele mai reci - când atmosfera s-a subțiat și a înghețat complet suprafața polară - aceleași organisme ar fi fost expuse la o cantitate foarte mare de radiații cosmice, continuând în același timp să supraviețuiască într-o stare de liniște. Potrivit autorilor, acest proces ar fi putut selecta populații de bacterii cu aceeași rezistență radio ca D. radiodurans pe o perioadă de zece milioane de ani. Sursa: Pavlov AK, Kalinin VL, Konstantinov AN, Shelegedin VN, Pavlov AA, A fost vreodată Pământul infectat de biota marțiană? Indicii de la bacterii rezistente ( PDF ), în Astrobiologie , vol. 6, nr. 6, 2006, pp. 911–918, DOI : 10.1089 / ast . 2006.6.911 , PMID 17155889 . Adus la 7 iulie 2008 (arhivat din original la 17 decembrie 2008) .
  24. ^ Brim H, McFarlan SC, Fredrickson JK, Minton KW, Zhai M, Wackett LP, Daly MJ, Engineering Deinococcus radiodurans pentru remedierea metalelor în medii de deșeuri mixte radioactive ( PDF ), în Nature Biotechnology , vol. 18, nr. 1, 2000, pp. 85–90, DOI : 10.1038 / 71986 , PMID 10625398 .
  25. ^ Într-un discurs TED din februarie 2005, Craig Venter (lider de proiect) menționează D. radiodurans ca fiind mașina finală de asamblare a genomului.
  26. ^ O melodie populară care însoțește atracția cu același nume la Walt Disney Parks and Resorts .
  27. ^ Date stocate în bacterii multiplicatoare , New Scientist , 8 ianuarie 2003

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Microbiologie Portalul de microbiologie : Accesați intrările Wikipedia care se ocupă de microbiologie
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Deinococcus_radiodurans&oldid=114345505 ”