Курсовая работа по теме Специализированные микроорганизмы, обитающие в экстремальных условиях среды. Специализированные микробы в экстремальных условиях местообитани. Микроорганизмы, обитающие в условиях низких температур 6

• Название: Микроорганизмы, обитающие в условиях низких температур 6
• Анкор: Курсовая работа по теме Специализированные микроорганизмы, обитающие в экстремальных условиях среды
• Дата: 22.05.2022
• Размер: 75.5 Kb.
• Имя файла: Специализированные микробы в экстремальных условиях местообитани.docx
• Тип: Реферат; #542945

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. МИКРООРГАНИЗМЫ, ОБИТАЮЩИЕ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР 6

1.1. Механизмы устойчивости 7

1.1.1. Психрофильные ферменты 8

1.1.1.1. Практическое использование 8

1.1.2. Белки теплового шока 9

1.1.2.1. Практическое использование 9

ГЛАВА 2. МИКРООРГАНИЗМЫ, ОБИТАЮЩИЕ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР 11

2.1. Классификация микроорганизмов 11

2.1. Механизмы устойчивости 11

2.2. Практическое использование 13

ГЛАВА 3. МИКРООРГАНИЗМЫ, ОБИТАЮЩИЕ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЙ КИСЛОТНОСТИ СРЕДЫ 15

3.1. Алкалофилы 16

3.1.1. Практическое использование 17

3.2. Ацидофилы 18

3.2.1. Практическое использование 20

ГЛАВА 4. МИКРООРГАНИЗМЫ, ОБИТАЮЩИЕ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГО СОДЕРЖАНИЯ СОЛЕЙ 22

4.1. Механизмы устойчивости 22

4.2. Практическое использование 24

ГЛАВА 5. МИКРООРГАНИЗМЫ, ОБИТАЮЩИЕ В УСЛОВИЯ ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ 26

5.1. Механизмы устойчивости 26

5.2. Практическое использование 27

ГЛАВА 6. МИКРООРГАНИЗМЫ, ОБИТАЮЩИЕ В УСЛОВИЯХ РАДИАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 28

6.1. Механизмы устойчивости 29

6.2. Практическое использование. 30

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 31

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 32

Введение 5

Глава 1. Микроорганизмы, обитающие в условиях низких температур 6

1.1. Механизмы устойчивости 7

1.1.1. Психрофильные ферменты 8

1.1.1.1. Практическое использование 8

1.1.2. Белки теплового шока 9

1.1.2.1. Практическое использование 9

Глава 2. Микроорганизмы, обитающие в условиях высоких температур 11

2.1. Классификация микроорганизмов 11

2.1. Механизмы устойчивости 11

2.2. Практическое использование 13

Глава 3. Микроорганизмы, обитающие в условиях высокой кислотности среды 15

3.1. Алкалофилы 15

3.1.1. Практическое использование 17

3.2. Ацидофилы 18

3.2.1. Практическое использование 20

Глава 4. Микроорганизмы, обитающие в условиях высокого содержания солей 22

4.1. Механизмы устойчивости 22

4.2. Практическое использование 24

Глава 5. Микроорганизмы, обитающие в условия повышенного давления 26

5.1. Механизмы устойчивости 26

5.2. Практическое использование 27

Глава 6. Микроорганизмы, обитающие в условиях радиактивного излучения 28

6.1. Механизмы устойчивости 28

6.2. Практическое использование. 30

Заключение 31

Список литературы 32

ВВЕДЕНИЕ

В природе существует различные экологические факторы, которые влияют по-разному на различные микроорганизмы. К таким факторам относятся: температура, pH среды, влажность, давление, излучение и др. В подобных условиях нередко возникают экстремальные значения среды, такие как слишком низкая температура, которая приближена к точке замерзания воды или наоборот высокая температура, близкая к точке кипения, повышенные или заниженные значения pH, высокое давление и т. д. При таких условиях многие организмы не смогут выжить, не выработав какие -либо механизмы защиты.

Актуальность темы заключается в изучении адаптаций, которые микроорганизмы выработали, чтобы существовать в экстремальных условиях. Механизмы, которые будут рассматриваться в данной работе, могут оказаться очень полезными при использовании их в сельском хозяйстве, биотехнологии, промышленном производстве и др.

Целью работы является сбор и анализ данных о морфологических и биохимических особенностях микроорганизмов, обитающих в экстремальных условиях, а также рассмотрение применения этих особенностей в различных отраслях науки.

Задачи:

1.Изучить теоретический материал

2.Познакомится с основной классификацией экстремофилов

3.Определить механизмы, которые они выработали под воздействием экстремальной условии среды

4. Рассмотреть применение основных групп экстремофилов в различных отраслях науки.

ГЛАВА 1. МИКРООРГАНИЗМЫ, ОБИТАЮЩИЕ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Микроорганизмы делят на три группы по отношению к температуре:

а) достаточно быстро развиваются при температуре 0 °С -психрофилы и психротрофы;

б) обитающие в пределах умеренных температур – мезофилы;

в) способны к росту при температуре 45–50 °С – термофилы;[1]

Бактерии, выдерживающие низкие температуры, являются доминирующими формами жизни в условиях низких температур среды. Эти адаптированные к холоду микроорганизмы можно разделить на две экологические группы:

1) психрофилы - кардинальные температуры (минимальная, оптимальная и максимальная) равны 0 °С, 15 °С и 20 °С;

2) психротрофы (или психротолерантные микроорганизмы) растут в более широком диапазоне температур, от 0 до 30 °С (по определению Морита, 1975). [2]

Психрофильные бактерии распространены в арктических районах земного шара, где их обнаруживают в пробах почв, вечных снегов высокогорных районов, горных ледников, морен, наносов холодных пещер, в воде колодцев и родников.[1] В 1964 г. был выделен в чистой культуре первый психрофильный микроорганизм Vibriomarinus. Среди морских психрофильных микроорганизмов встречаются и грамположительные организмы, например представители родов Bacillus и Clostridium. Среди фототрофных микроорганизмов встречаются психрофилы, способные развиваться на поверхности снега или льда, наиболее распространена одноклеточная водоросль Clamydomonasnivalis[3]

Естественной средой обитания психрофильных бактерий служат океаны (средняя температура у поверхности воды 5 °С, около дна 1—2 °С).Среди психрофилов есть формы, вызывающие заболевания рыб и морских растений.[1] Для того, чтобы обитать в подобных условиях, микроорганизмы выработали множество адаптаций, которые обуславливают их устойчивость в обитаемой среде.

1.1. Механизмы устойчивости

Микроорганизмы в холодной среде обитания сталкиваются с рядом проблем и часто демонстрируют множественные приспособления к экстремальным условиям. Истинным ограничивающим фактором для жизни в холоде является отсутствие жидкой воды при низких температурах, а не температура как таковая, поэтому микробная низкотемпературная адаптация требует широкого спектра метаболических и структурных изменений практически на всех уровнях организации клетки (Таблица 1).[4]

Молекулярные адаптации психрофилов:

1)хемотаксис, галотаксис, хемогалотаксис позволяет колонизироваться в толще морского льда;

2)включения ненасыщенных (разветвленных и коротких) жирных кислот в клеточные мембраны; каротиноидов - поддержание мембранной текучести в клетке;

3)модификация липополисахаридов поддерживает целостность и текучесть мембран;

4)синтез криопротекторных молекул (антифризовые белки, ледоядерные белки, экзополисахариды) защищает клетку от активных видов кислорода во избежание повреждения мембраны;

5)множественные стрессоустойчивые гены (окислительный стресс, устойчивость к токсичным соединениям) позволяют эффективно реагировать на стресс;

6)холодные индуцирующие промоутеры регулируют экспрессию генов при низких температурах.[4]

Далее будет рассмотрено более подробно о психрофильных ферментах и антифризовых белках.

1.1.1. Психрофильные ферменты

Психрофильные ферменты имеют высокую распространенность неполярных остатков на своей поверхности, что дестабилизирует структуру воды вокруг фермента таким образом, что свойства воды значительно отличаются от свойств свободной воды, а также более низкое содержание остатков аргинина и пролина повышает гибкость клеточной структуры. Меньшее количество слабых взаимодействий, таких как водородные связи, снижает степень набивки в ядре фермента и делает психрофильные ферменты более конформационно гибкими. В качестве основного молекулярного механизма эволюции холодноадаптированных ферментов предложена повышенная гибкость - гипотеза, подкрепленная спектроскопическим анализом [5].

Протеазы - класс гидролитических ферментов, которые расщепляют большие белки на более мелкие пептиды и аминокислоты. Они обладают высокой каталитической эффективностью при низких температурах и низкой термостабильностью при высоких температурах, что дает преимущество перед ферментами, полученными из мезофилов. Эти особенности позволяют использовать данных класс ферментов в различных сферах промышленности. [6].

1.1.1.1. Практическое использование

Современные биотехнологические отрасли нуждаются в ферментах, которые являются экологически чистыми и экономически выгодными.

1.пищевая промышленность;

Холодно-адаптированные протеи показали перспективы в пищевой промышленности в связи с тем, что они термически нестабильны и могут быть избирательно и быстро инактивированы. Также исключается риск микробного загрязнения благодаря оптимальной ферментативной активности при низких температурах. Например, использование холодно-адаптированной протеазы Pseudoalteromonas sp. помогло улучшить вкус замороженного мяса лучше, чем мезофильная протеаза, высвобождая дополнительные вкусовые аминокислоты и незаменимые аминокислоты.

2.индустрия моющих средств;

Микробные протеазы наряду с моющими средствами доказали свою эффективность во время холодной стирки. Холодноадаптированные протеазы удаляют белковые вещества из одежды, окрашенной шоколадом, чаем, кровью, яичным желтком, травой и т.д. при низких температурах намного эффективнее, чем безферментные моющие средства. Эти свойства делают их пригодными для использования в качестве соответствующих добавок к моющим средствам.

3.биовосстановление;

Протеазы могут найти применение в экологической биодеградации богатых белком отходов и очистке сточных вод в холодных условиях. Например, психрофил Pedobacter cryoconitis обладают способностью процветать и производить протеазы на широком спектре субстратов.[6]

1.1.2. Белки теплового шока

AFPs (антифризные белки) — это группа ледообразующих белков, которые препятствуют росту льда через понижение температуры замерзания раствора до уровня ниже точки таяния. Эта разница между температурой замерзания и температурой таяния называется тепловым гистерезисом (ТГ) и является результатом адсорбции AFPs на кристаллической поверхности льда. Это взаимодействие приводит к тому, что рост льда происходит на выпуклой поверхности между соседними AFPs, что снижает температуру замерзания. [7]

1.1.2.1. Практическое использование

AFPs чрезвычайно эффективны для ингибирования рекристаллизации льда даже при очень низких концентрациях, однако их рабочий механизм изучен недостаточно хорошо. AFPs способны уменьшить повреждения, связанные с образованием льда, возможно, за счет уменьшения размера крупных кристаллов льда в буферном растворе. Использование AFPs может дать возможность хранить различные плоды в замороженных условиях. Однако внешнее добавление AFPs могло защитить только самые поверхностные ткани, поэтому в растительные организмы необходимо вводить гены кодирования AFPs. Генетически модифицированные растения с генами кодирования AFPs могут улучшать текстуру и качество замороженных продуктов.[4]

ГЛАВА 2. МИКРООРГАНИЗМЫ, ОБИТАЮЩИЕ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

2.1. Классификация микроорганизмов

Термофилы — теплолюбивые микроорганизмы, развиваются в зоне высоких температур (выше 45—50 °С). Термофильные микроорганизмы подразделяют на облигатные, факультативные, термотолерантные, а также экстремально термофильные и гипертермофильные.

Облигатные термофилы имеют температурный оптимум 65—70 °С, минимальная температура, при которой возможен их рост, — 40—42 °С; факультативные термофилы имеют температурный максимум 50—60 °С, минимум — менее 20 °С; термотолерантные — температурный максимум 45—50 °С, наконец, экстремально термофильные могут существовать при температурах от 60 до 93 °С и выше. Среди гипертермофилов в следует отметить ряд архебактерий, о механизмах адаптаций которых будет рассматриваться дальше. Архебактерии Pyrodictium occultum и P. brockii развиваются при температуре 105 °С, но выдерживают и 110°С. [1]

Основными природными объектами выделения являются термальные воды горячих источников. Развитие бактерий наблюдали при 100-110°С, что является самым высоким температурным пределом жизни на Земле (род Pyrobaculum, Hyperthermus, Pyrococcus, Pyrodictium и др.). Представители этих родов бактерий обнаружены на континентальных сольфатарных полях и в морских гидротермальных системах. Все они строгие анаэробы, многие способны к литоавтотрофии в среде H₂ (донор электронов), S₀ (акцептор), СО2 (источник углерода). Среди экстремальных термофилов встречаются и ацидофильные (кислотнолюбивые) аэробные и факультативно анаэробные формы, развивающиеся при pH 1–6 в диапазоне 0,1–12,0% NaCl.[8]

2.1. Механизмы устойчивости

Можно выделить следующие особенности, позволяющие обитать гипертермофилам при высоких температурах среды.

Во-первых, наличие в клетках гипертермофильных архебактерий белков и их факторов защиты от денатурации. Присутствие большого количества аминокислот, которые обеспечивают формирование α-спиралей, кардинально стабилизирующие молекулы. В центральной части ферментов присутствует большое количество аминокислот с незаряженными боковыми группами, это приводит к появлению гидрофобных свойств этой части белка и существенно уменьшается его вероятность к анфолдингу в ионном окружении. На поверхности же глобулярных белков сконцентрированы аминокислоты с заряженными боковыми группами, увеличивающие количество ионных взаимодействий и также препятствующие к анфолдингу. Из этого можно сделать вывод, что именно фолдинг определяет термостабильность белков. Высокое число ионных мостиков в белках термофилов также приводит к повышению термостабильности. Стоит также отметить наличие особого класса белков теплового шока (шаперонинов), которые обеспечивают рефолдинг уже отчасти денатурированных белков. Например, у Pyrodictium abyssi основным шаперонином является белковый комплекс – термосома, задача которой состоит в поддержании других белков в состоянии соответствующего фолдинга. Сама термосома устойчива к высокой температуре.

Во-вторых, гипертермофильные бактерии выработали механизмы защиты ДНК, одним из таких механизмов является увеличение концентрации растворенных веществ в комплексах ионов калия с органическими молекулами, повышающие стабильность ДНК и поддерживающие белки в активной форме. Только у гипертермофилов найден уникальный белок – обратная ДНКгираза, обеспечивающая образование позитивных петель ДНК при спирализации, по сравнению с обычной гиразой, которая формирует негативные петли. Позитивная суперспирализация существенно стабилизирует ДНК, которая и предотвращает денатурацию. Также в термостабильности участвуют полиамины, такие как путресцин, спермидин, которые сопрягаясь с ионами магния стабилизируют молекулы ДНК, РНК, рибосомы. Так в клетках архебактерий рода Sulfolobus выявлены термостабильные белки, прочно связанные с ДНК в районе большого желобка, что повышает температуру плавления ДНК на 40 °С. У других архебактерий обнаружены белки, сходные на гистоны эукариот. Эти белки обеспечивают очень плотную упаковку ДНК в нуклеосоме, вследствие этого ДНК при очень высокой температуре способна оставаться в двухцепочном состоянии.

В-третьих, большое количество липидов типа дибифитонила в составе мембран способствует формированию монослоя, вместо бислоя, как у большинства прокариот. Такая структура связана ковалентными взаимодействиями вместо слабых нековалентных связей, что поддерживает монослои липидов в обычной бислойной мембране и ,соответственно, приводит к возрастанию термоустойчивости мембран гипертермофилов.
Наконец, стабильность АТP и NAD+ поддерживают сахара, соли и др.
В заключение стоит отметить, что более устойчивы к высокой температуре это термофильные хемолитотрофные архебактерии (предел их роста составляет около 121°С); меньшую термоустойчивость проявляют термофильные хемоорганотрофные архебактерии (предел роста 110°С); еще ниже предел устойчивости к температуре у термофильных фототрофов – всего 73°С. [9]

2.2. Практическое использование

В молочной промышленности термофильные бациллы используются в качестве гигиенических показателей перерабатываемого продукта. Это связано со способностью этих штаммов образовывать эндоспоры и биопленки. Термофильные бациллы, такие как Anoxybacillus flavithermus и Geobacillus spp., являются важной группой загрязняющих веществ в молочной промышленности. Хоть эти представители и не являются патогенными, их присутствие в молочных продуктах является индикатором плохой гигиены, а высокое их количество недопустимо. Кроме того, их рост может привести к порче молочных продуктов, вызванным производством кислот или ферментов, что может привести к появлению неприятных запахов.

Термофильная бактерия Fervidobacterium pennavorans при 70 °С и pH 6,5 способна утилизировать отходы животного происхождения такие как перья птиц, так как их переработка очень затратна и трудоемка. Это первый известный термофил, который способен разлагать перья при высоких температурах. Использование ферментов термофила, перья могут быть преобразованы в определенные продукты, такие как редкие аминокислоты: серин, цистеин и пролин.

Ферменты термофила Geobacillusthermocatenulatusмогут широко применяться и эффективно использоваться в утилизации красителей (бромофеноловый синий, бриллиантовый зеленый, Конго красный и др.), которые вызывают загрязнение окружающей среды.[10]

ГЛАВА 3. МИКРООРГАНИЗМЫ, ОБИТАЮЩИЕ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЙ КИСЛОТНОСТИ СРЕДЫ

pH – это отрицательный логарифм концентрации водородных ионов в среде. Микроорганизмы способны существовать только в определенных границах pH. Водородные ионы, присутствуя в среде, изменяют электрический заряд коллоидов плазменной оболочки микроорганизмов и в зависимости от концентрации увеличивают или уменьшают проницаемость оболочек клеток для отдельных ионов. Жизнь микроорганизма прекращается, если концентрация ионов водорода выходит за границы жизнедеятельности. Под влиянием pH изменяется направленность и интенсивность физиологических процессов в клетке микроорганизмов. [11]

По отношению к кислотности среды микроорганизмы делят на 3 группы:

-нейтрофилы – микроорганизмы, обитающие при нейтральных условиях среды (pH 4–9);

-алкалофилы – микроорганизмы, обитающие в условиях щелочной среды (pH 10 и выше);

-ацидофилы способны существовать в очень кислой среде (pH 3 и менее).

Среди перечисленных выше групп существуют облигатные формы, не способные существовать в нейтральной среде, например экстремальный ацидофил Thiobacillus thiooxidans,развивающийся при рН 0,5—6,0 (оптимум 2,0—3,5), и факультативные, у которых присутствует такая способность.

Бактерии, не смотря на их прекращение роста при pH 4,5, которые способны выносить реакцию среды с pH 1 или даже pH 0,1, не подвергаясь при этом угнетению, называются ацидотолерантными или кислоустойчивыми микроорганизмами. К ним относятся тионовые бактерии, окисляющие сероводород и серу. [12]

3.1. Алкалофилы

Основная проблема существования микроорганизмов при крайних pH, — это поддержание pH цитоплазмы на уровне, близком к нейтральному, а также поддержание активности выделяемых и поверхностных белков. У неспециализированных микроорганизмов экстремальные pH среды вызывают необратимое разрушение поверхностных белков, принимающие участие в образовании клеточной оболочки и поглощении питательных веществ. Специализированные микроорганизмы выработали белки, стабильными при экстремальных значениях pH. Регуляция pH цитоплазмы должна быть очень быстрой, чтобы избежать подавления роста клеток и их гибель. У алкалофилов имеются приспособления для поддержания внутриклеточного pH, обеспечивающие их рост в щелочной среде и сохраняющие pH цитоплазмы близким к 8.[13]

Среди бактерий, способных размножаться в щелочной среде обнаружено несколько видов (pH 8,5 и выше). Например, Bacillus pasteurii, растет при реакции среды равной приблизительно pH 11; В. Alcalophilus, обитающая в сточной воде, может развиваться в пределах pH 9 -11,5. Цианобактерии способны расти в природной среде с pH 7,5–10, у некоторых из них оптимум равен pH 10.[12]

Итак, чтобы развиваться при pH 8–11 и больше алкалофильные бактерии выработали 3 особенности.

1.поддержание pH цитоплазмы на физиологическом уровне в щелочной среде.

Это достигается благодаря наличию буферных систем в цитоплазме, которая обеспечивает содержание белков и нуклеиновых кислот, а также пулов глутамата и полиаминов. Буферную емкость обеспечивают фосфатные группы в составе РНК и ДНК и основные или кислые боковые цепи аминокислот в составе белков при крайних значения pH.

2.устойчивость ферментов к денатурирующему влиянию щелочной среды. Ферменты, находящиеся на поверхности клетки или секретируемые в окружающую среду, устойчивы к высоким значениям pH – это свойство используется при производстве детергентов.

3.образование на мембране градиента pH с кислым полюсом внутри клетки нейтрализует мембранный потенциал последовательно, снижает протондвижущую силу, которая обеспечивает синтез АТФ при дыхании.

Низкая проницаемость цитоплазматической мембраны для протонов и других ионов обеспечивает адаптацию при высоких значениях pH среды. У алкалофилов образование обратного градиента pH на мембране компенсируется высокой величиной мембранного потенциала или сопряжением транспорта электронов с выделением из клеток Na⁺ для поддержания гомеостаза pH и запасания энергии.[13]

3.1.1. Практическое использование

Исследования алкалофилов привели к открытию многих новых типов ферментов, которые проявляют интересные свойства. Например, протеазы входят в состав моющих средств, стиральных порошков, растворов контактных линз; кератиназы используются в удалении волос с кожи, что позволит избежать использования загрязняющих химических веществ, таких как сульфид натрия при обычной обработке кожи, и сократить время; целлюлаза используют в качестве добавки к стиральным порошкам, что существенно улучшает качество ткани и придает ей более яркий цвет. Также алкалофилы могут использоваться в качестве микробных топливных элементов в устройствах, в которых они окисляют органические или неорганические субстраты и генерируют ток, тем самым производя электричество. Алкалофильные микроорганизмы могут применяться и в пищевой индустрии: так цианобактерия Arthrospira (спирулина) за счет большого содержания в ней белка продается и выпускается в виде таблеток, капсул, порошковых гранул или хлопьев и употребляется в пищу человеком (содержание белка в этих микроорганизмах 60–70%, что намного больше, чем в рыбе, соевых бобах, зерновых, свежих яйцах). [14]

3.2. Ацидофилы

На Земле есть много экологических ниш с естественной кислотностью. Эти места являются домом для множества ацидофильных микробов с уникальными приспособлениями для выживания в агрессивных средах с низким pH. Так, на сольфатарных и геотермальных сернистых полях обнаружено большое количество ацидофилов, такие как Sulfolobus solfataricus и Acidianus sulfidivorans,относящиеся к домену археи. Были выделены бактерии Picrophilus torridus и Picrophilus oshimae относящиеся к умеренно термофильным гетеротрофным археям с самым низким pH-оптимумом роста (pH 0,7) среди всех известных неминеральных окисляющих ацидофильных микроорганизмов. Среди ацидофильных архей Picrophilus, Sulfolobus, Metallosphaera и Sulfurococcus являются облигатными аэробами, в то время как Thermoplasma и Acidianus являются факультативными анаэробами, а Stygiolobus azoricus - облигатными анаэробами.

Для выживания в кислой среде ацидофилы разработали разные механизмы, для существования их в кислой среде.

1.клеточная мембрана выступает в качестве первичной защиты от низкого pH для ацидофилов.

Клеточные мембраны ацидофилов отличаются от нейтрофилов по жирно-кислотному и липидному составу. Относительно высокая встречаемость архея среди ацидофилов объясняется низкой проницаемостью архейных мембран к протонам. Мембраны архея содержат тетраэфирные липиды, которые менее восприимчивы к кислотному гидролизу, чем эфирные связи, обнаруженные в мембранных липидах бактерий и эукариот. Исследования липосом, полученных из липидов мембраны Picrophilus oshimae, показывают, что непроницаемость для протонов может быть вызвана наличием жесткого монослоя, предотвращающего разрушение мембраны, и громоздкого изопреноидального ядра. Клеточная мембрана Thermoplasma spp. не содержит стеролов, гликопротеинов и липогликанов. Детальный анализ мембранной структуры архея выявил важную роль мембранных липидов в поддержании постоянного рН внутри клетки, градиента протонов мембранного диапазона и правильного функционирования мембранной АТФ-синтазы. [15]

2.поддержание pH гомеостаза регулируется за счет обратного мембранного потенциала (положительный ∆Ψ).

Этот положительный ∆Ψ генерируется у ацидофилов доннановским потенциалом (мембранным потенциалом) положительно заряженных ионов, обычно калием, который ингибирует поступление протонов в клетку. [13] Переносчики калия являются наиболее эффективными в создании хемиосмотических градиентов, посредством которых генерируется обратный мембранный потенциал и ограничивается входящий поток протонов. Кроме того, катионные АТФазы (такие как К-АТФаза) участвуют в поддержании гомеостаза pH путем обмена H и K. [16]

3.регулирование размера мембранных каналов – еще одна важная стратегия, для поддержания гомеостаза pH.

Благодаря этому свойству происходит регулирование притока протонов в клетку. [16]

3.все ацидофилы содержат буферные молекулы, которые имеют основные аминокислоты, такие как как лизин, гистидин, аргинин и другие, которые способны захватывать протоны.

Такая способность позволяет удалять эти протоны и предотвращать последующее повреждение цитоплазмы, а также это позволит сдвинуть оптимум pH в более щелочную среду.[15]

4. образование биопленок как еще один механизм кислотной устойчивости.

Биопленки защищают микробные клетки от кислотного шока, оборачивая клетки во внутреннюю часть. Следовательно, плотность клеток, связанная с образованием биопленок, также является фактором, влияющим на кислотостойкость микроорганизмов. [15]

5.потребление избыточных цитоплазматических протонов ферментативными системами для подержания pH гомеостаза.

Например, уреазная система нейтрализует водород в периплазме, производя аммиак, что помогает противостоять низким pH таких бактерий как Helicobacter pylori за счет увеличения pH внутри клетки микроорганизмов Также была обнаружена роль фосфолипазы А внешней мембраны H. pylori в устойчивости к кислоте на основе притока мочевины и оттока аммиака. Стабильность этих ферментов поддерживается высокой долей содержания в них белков железа, что стабилизирует трехмерную структуру белка и способствует стабильности ферментов даже при pH среды ниже, чем pH в цитоплазме. [15]

3.2.1. Практическое использование

1.пищевая промышленность.

Использование α-амилазы из A. Acidocaldarius может значительно сэкономить на времени и стоимости продуктов при переработке крахмала, т. к. действуют при pH 3,0 и температуре 75 ° C, в отличие от обычного осахаривания крахмала.

2.хлебопекарная промышленность

Хотя в хлебопекарной промышленности также используется амилаза, для нее требуются свойства, отличные от тех, которые требуются в крахмальной промышленности. При выпечке желательны мальтогенные амилазы с промежуточной термостойкостью, одними из них являются ксиланазы, при использовании которых происходит расщепление гемицеллюлозы в пшеничной муке и ее перераспределение, в результате чего тесто остается мягким и легко замешивается. Его добавление в тесто помогает быстрее впитывать воду, а также повышает устойчивость к брожению.

3.фармацевтическая индустрия

Коллагеназа – класс протез, участвующий в протеолитической деградации коллагена. Этот коллаген используется в качестве неаллергенного консерванта в медицине и косметике, а также в лечении рубцов и ожогов. Коллагеназа с оптимальным pH в кислотном диапазоне была обнаружена из штамма Alicyclobacillus sendaiensis.[15]

ГЛАВА 4. МИКРООРГАНИЗМЫ, ОБИТАЮЩИЕ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГО СОДЕРЖАНИЯ СОЛЕЙ

Высокая соленость оказывает подавляющее действие на микроорганизмы, т. к. соли присоединяют к себе молекулы воды и тем самым снижают подвижность, конкурируя с клеточными компонентами за доступные молекулы воды. В таких условиях осмотического стресса способны выживать умеренные галофильные бактерии и экстремальные галофилы, большинство из них относится к археям, обитающие в Мертвом Море с минерализацией, лагунах, древних соляных отложениях. К экстремальным галофилам относятся и бактерии, например, Salinibacter ruber. Среди умеренных галофилов отмены автотрофные и гетеротрофные протисты[18].

4.1. Механизмы устойчивости

Итак, следует выделить следующие механизмы выживания:

1.модификация механизмов транспорта ионов через цитоплазматическую мембрану.

Ионы Na⁺ активно выводятся из клетки за счет интенсивного поступления ионов K⁺, за счет чего эффективно поддерживается тургор клетки. Такая приспособленность была также обнаружена у бактерий рода Salinibacter. К другому механизму адаптации относится уменьшение проницаемости цитоплазматической мембраны для ионов, что приводит к стабилизации мембраны. Это достигается по мере увеличения содержания кислых фосфолипидов, которое присуще галотолерантным и галофильным бактериям. Наличие особых белков AcrA, возможно, может приводить к снижению проницаемости мембраны для ионов, идущих извне.

2.устойчивость внутриклеточных структур и ферментов к высоким концентрациям ионов.

У экстремальных галофилов содержание KCl может достигать 5 М, что больше в 100 раз чем в окружающей среде. Рибосомы и ферменты таких микроорганизмов эффективно функционируют в насыщенных растворах солей. При снижении же осмотического давления происходит дестабилизация ферментов.

3.синтез и накопление осмопротекторов – низкомолекулярных осмотически активных веществ.

Растворимые вещества активно накапливаются в цитоплазме до концентрации 1 М для предотвращения дегидратации и поддержания внутриклеточной активности биомолекул. Осмопротекторы – это конечные метаболиты. Для них характерна высокая растворимость, отсутствие разноименно заряженных центров и влияния на ферментативную активность. К наиболее эффективным осмопротекторам относят трегалозу, бетаин, эктоин и пролин, которые создают высокое осмотическое давление при относительно низких концентрациях. Трегалоза стабилизирует мембраны и предохраняет их от ферментативной активности. Трегалоза может действовать за счет перемещения молекул воды, участвующих в поддержании третичной структуры белков, через большое количество водородных связей.
Бактерии в своих клетках накапливают такие осмопротекторы, как азотсодержащие вещества. Бетаин, пролин и глутаминовая кислота концентрируются в клетках галотолерантов и умеренных галофилов. Для Micrococcus varians и бактерий рода Planococcus характерно накопление в клетках глутамина, полин обнаружен у галотолерантных стрептомицетов и Staphylococcus aureus, эктоин – для Halomonas elongata. Регуляция синтеза эктоина и глутамата у Halomonas elongata происходит на уровне ферментативной активности за счет чего его концентрация стремительно возрастает в условиях осмотического шока. При гибели плазмид из Halomonas elongata бактерии не способны к росту при высоких концентрациях NaCl, с другой стороны, у Marinococcus halophilus расшифрована последовательность ДНК, отнесенная к стресс-ответственному промоторному региону, которая регулирует синтез эктоина. Инфузория Paramecium calkinsi и Acanthamoeba castellanii реагируют на осмотический стресс повышением содержания внутриклеточных аминокислот.[18]

4.2. Практическое использование

1.утилизация органических отходов.

Деградация фенола в солевых растворах сточных вод проводится умеренными галофилами Holomonassp., способный использовать фенол в качестве единственного источника углерода и энергии. Для очистки и восстановления почв от токсических соединений был выделен галофильный метанассимилирующий штамм Methylomicrobium sp., способный к окислению галогенсодержащих соединений. Галофил Streptomyces olbiaxialis используется в биологической очистке почв и вод, загрязненными нефтепродуктами.

2.синтез биополимеров галофильными и галотолерантными микроорганизмами.

При культивировании галофильной бактерии Holomonas maura были получены полисахариды (мауран, выход составлял 3,8 г/л среды), углеводы 65%, белки 2,6%, урановые кислоты – 8,1% и 6,5% - сульфатов и следы уксусной кислоты. Известно, что полисахариды, синтезируемые галофилами, активно эмульгируют нефть и нефтепродукты, а также масла.

3.пищевая биотехнология.

Культуры бактерий Halobacteriumsolinarium, Halococcussp., Bacillus sp. применяются в производстве восточного рыбного соуса, где ферментация происходит в концентрированном рассоле. Жиры антарктических морских бактерий, таких как Shewanella и Colwella, могут стать альтернативой рыбьему жиру, так как эти микроорганизм способны накапливать полиненасыщенные жирные кислоты.[18]

ГЛАВА 5. МИКРООРГАНИЗМЫ, ОБИТАЮЩИЕ В УСЛОВИЯ ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Для описания организмов, которые живут при повышенном давлении, был предложен термин пьезофилы (ранее использовался термин барофилы). Глубоководную пьезосферу принято определять как океанические водные массы с глубин более 1000 м (гидростатическое давление ≥100 атм или ≥10 МПа). Классификация пьезофилов основана на оптимальных значениях давления и температуры для их репродукции. Пьезотолерантные прокариоты способны расти в довольно широком диапазоне гидростатического давления (0.1–50 МПа). Облигатные пьезофилы нуждаются в высоком давлении 60–100 МПа. Облигатные психрофилы обычно представлены пьезофилами (30–50 МПа, t_опт. 4–10°С). У умеренных и облигатных термофилов корреляционная связь между гидростатическим давлением и оптимальной температурой репродукции выражена значительно слабее, чем у облигатных психрофилов. Единственным пьезофильным гипертермофилом среди многочисленных метаногенов является Methanopyrus kandleri, обитающий в глубоководных гидротермах при температуре 105°С и при давлении 20 МПа с верхним пределом 110°С [19].

5.1. Механизмы устойчивости

При изучении психрофильного пьезофила Pho­tobacterium profundum SS9 в условиях высокого давления был найден OmpH белок, отвечающий за транспорт питательных веществ в клетку, максимальный уровень экспрессии которого наблюдался при оптимально для роста микроорганизма давлении. В условиях нормального давления (0.1 МПа) данный белок не синтезировался и его функцию выполнял другой белок (OmpL). Было показано, что rpoE подобный локус штамма SS9 участвует в регуляции экспрессии OmpH белка и необходим как в условиях высокого давления, так и при низкой температуре роста. Этот консервативный оперон был затем идентифицирован у многих глубоководных бактерий. Дальнейшее изучение штамма SS9 позволило высказать предположение об участии трансмембранных белков ToxR и ToxS в системе регуляции экспрессии генов. Для бактерии Vibrio cholerae показано, что комплекс этих белков ToxR−ToxS является сенсором на изменение температуры, рН, концентрации солей, питательных веществ и принимает участие в транскрипции.

Мультимерные белки также могут быть приспособлены к сопротивлению давления. Например, исследование гипертермофильной и пьезофильной ТЕТ3-пептидазы из Pyrococcus horikoshii показывают, что белок мультимеризуется в додекамерную структуру вместо сохранения своей классической бочкообразной мультимерной конформации. Мультимеризация додекамера защищает водородную связь между различными субъединицами и повышает ее устойчивость к температуре и давлению до 300 МПа.

Общим внешним ответом клетки на стресс давления является наличие пьезолитов и других низкомолекулярных органических соединений, называемых осмолитами (например, сахара и аминокислоты), для защиты клеточных макромолекул, таких как белки, от модификации давлением и, следовательно, адаптации их динамики. Некоторые пьезофилы накапливают эти низкомолекулярные молекулы в ответ на повышение давления, а другие-на снижение, что указывает в последнем случае на то, что рост при более низком давлении, чем оптимальное, воспринимается как стресс для этих пьезофилов[19].

5.2. Практическое использование

Использование ферментов пьезофилов – новая биотехнологическая альтернатива по отношению к традиционной. Высокое давление может оказывать влияние на активность ферментов. Гидрогеназы, глицеральдегид-3- фосфатазы и а-глюкозидазы, полученные из клеток Methanococcusjannaschii и Mc.igneus, первоночально выделенных из глубины соответственно 2600 и 100 м проявляли более высокую актвность при повышенном давлении. ДНК-полимеразы из P.furiosus и Pyrococcussp. и стабилизированы при высоком давлении и повышенной температуре. В связи с недостаточным пониманием механизмов биохимической адаптации микроорганизмов к высокому давлению, использование пьезофилов довольно ограниченно.

ГЛАВА 6. МИКРООРГАНИЗМЫ, ОБИТАЮЩИЕ В УСЛОВИЯХ РАДИАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

К наиболее радиорезистентному виду и наиболее изученному можно отнести Deinococcusradiodurans – грамположительная мезофильная аэробная непатогенная бактерия, не обладающая способностью к спорообразованию. Клетки D. radiodurans имеют кокковидную форму и часто образуют диады и тетрады. Бактерии вида D. radiodurans впервые были выделены из мясных консервов, стерилизованных с помощью радиоактивного излучения. Культура D. radiodurans переносит облучение в 10 000 Гр без гибели клеток, т.е. оказывается в 30 раз устойчивее клеток E. coli и в 1000 раз – культуры клеток человека. Помимо γ-излучения клетки D. radiodurans демонстрируют высокую степень устойчивости к ультрафиолетовому облучению, обезвоживанию, обработке рядом химических агентов, таких как митомицин С и перекись водорода. Природные места выделения этого микроорганизма обычно являются пустыни и радиоактивные места заражения.

6.1. Механизмы устойчивости

1.особенности структуры клеточной стенки;

Клеточная мембрана D. radiodurans содержит две мембраны, разделенные слоем пептидогликана. Снаружи от внешней мембраны находится белковый S-слой и углеводная оболочка. Внешняя мембрана, S-слой и углеводы прочно связаны в единую структуру, в которой локализуются каротиноиды, обусловливающие розовую окраску бактерии. Каротиноиды предотвращают и ликвидируют уже образовавшиеся свободные радикалы. Внутренняя мембрана связана с внешней мембраной белковыми комплексами, структурную роль в которых играет D-белок. Основным белком S-слоя является Hpi, который образует гексагональные структуры. Есть предположение, что S-слой придает клеточной оболочке жесткость, возможность связываться с различными лигандами, способствует устойчивости к внешним стрессовым факторам.

2. особенности устройства и упаковки генома;

Геном D. Radiodurans состоит из двух кольцевых хромосом и двух плазмид, при этом в одной клетке содержится около 10 копий генома. Эта особенность позволяет проводить репарацию поврежденной ДНК, в т. ч. двухнитевых разрывов.

3.эффективная работа систем репарации ДНК;

а) многокопийность генома D. radiodurans позволяет широко использовать гомологичную рекомбинацию в качестве основного механизма репарации двухнитевых разрывов;

б) содержание в клетках ДНК-полимеразы играет ключевую роль в репарации разрывов ДНК;

в) межнитевые сшивки блокируют денатурацию ДНК;

4.защита протеома от окислительного стресса;

Окислительный стресс – это образование активных форм кислорода (АФК): гидроксил-радикалов, супероксид-радикалов и перекиси водорода.

Гидроксил-радикалы вызывают деградацию макромолекул с выделением супероксидрадикалов и перекиси водорода. Супероксидрадикал высвобождает ионы Fe2+ из железосерных кластеров белковых молекул, поэтому для предотвращения и ликвидации последствий окислительного стресса клетки реализуют несколько стратегий:

а) предотвращение образования эндогенных АФК;

б) работа антиоксидантных защитных систем;

в) избирательная защита некоторых белков от окисления;

г) удаление и деградация поврежденных макромолекул;

5.активное удаление из клеток токсичных соединений;

В ходе репарации ДНК в клетках образуются поврежденные олигонуклеотиды, которые активно выбрасываются из клеток. В клетках D. radiodurans присутствуют специальные гидролазы, которые отщепляют дифосфатные группы от поврежденных нуклеозидтрифосфатов, что позволяет избежать их включения в ДНК. Во время стресса в клетках D. radiodurans сильно возрастает протеолитическая активность, что позволяет утилизировать поврежденные и неправильно свернутые белки.

6.2. Практическое использование.

D. radioduransустойчив к неблагоприятным условиям окружающей среды, что делает этот микроорганизм пригодным для биоочистки радиоактивных отходов. Есть исследования по применению D. radiodurans в биоочистке радиоактивных загрязнений, в том числе содержащие растворённые ионы ртути. D. radiodurans может быть использован в качестве средства хранения информации, которое может пережить ядерную катастрофу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследования ознакомились с основными классификацией экстремофилов, обитающих в условиях высоких и низких температур, высокой кислотности среды, солей, давления, а также интенсивного излучения (радиации). Изучили обзор литературы, который показал, что микроорганизмы выработали сложные системы для защиты под воздействием экстремальных условий среды.

Рассмотрели, что большинство групп экстремофилов активно используется в биотехнологии, сельском хозяйстве, фармацевтической промышленности и в многих других отраслях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. (Шуваева, Г. П. Микробиология с основами биотехнологии (теория и практика) : учебное пособие / Г. П. Шуваева, Т. В. Свиридова, О. С. Корнеева. — Воронеж : ВГУИТ, 2017. — ISBN 978-5-00032-239-0. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/106792 (дата обращения: 04.04.2021). — Режим доступа: для авториз. пользователей. — С. 119.).

2. Dziewit, L., Cegielski, A., Romaniuk, K. et al. Plasmid diversity in arctic strains of Psychrobacter spp.. Extremophiles 17, 433–444 (2013).

3.Учеб.для студ. вузов / А.И. Нетрусов, Е.А. Бонч-Осмоловская, В.М. Горленко и др.; Под ред. А. И. Нетрусова. – М.: Издательский центр «Академия», 2004 – 272 с. С.49-51

4.Margesin, R., Collins, T. Microbial ecology of the cryosphere (glacial and permafrost habitats): current knowledge . Appl Microbiol Biotechnol 103, 2537–2549 (2019).

5. Paredes, D.I., Watters, K., Pitman, D.J. et al. Comparative void-volume analysis of psychrophilic and mesophilic enzymes: Structural bioinformatics of psychrophilic enzymes reveals sources of core flexibility. BMC Struct Biol 11, 42 (2011).

6. Furhan, J. Adaptation, production, and biotechnological potential of cold-adapted proteases from psychrophiles and psychrotrophs: recent overview. J Genet Eng Biotechnol 18, 36 (2020).

7. Muñoz, P.A., Márquez, S.L., González-Nilo, F.D. et al. Structure and application of antifreeze proteins from Antarctic bacteria. Microb Cell Fact 16, 138 (2017).

8. Mehta, R., Singhal, P., Singh, H. et al. Insight into thermophiles and their wide-spectrum applications. 3 Biotech 6, 81 (2016).

9. Белясова, Н. А. Микробиология: электронный курс лекций для студ. спец. 1-48 02 02 "Технология лекарственных препаратов" спец. 1-48 02 02 01 "Промышленная технология лекарственных препаратов" / Н. А. Белясова, Т. И. Ахрамович. - Минск : БГТУ, 2019. - 290 с.

10. Mehta, R., Singhal, P., Singh, H. et al. Insight into thermophiles and their wide-spectrum applications. 3 Biotech 6, 81 (2016).

11. Шуваева, Г. П. Микробиология с основами биотехнологии (теория и практика): учебное пособие / Г. П. Шуваева, Т. В. Свиридова, О. С. Корнеева. — Воронеж : ВГУИТ, 2017. — 315 с. — ISBN 978-5-00032-239-0. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/106792 (дата обращения: 15.04.2021)

12. Микробиология: учебник для вузов / В. Т. Емцев, Е. Н. Мишустин. — 5-е изд., перераб. и доп. — М. : Дрофа, 2005. —445, [3] с.: ил.

13. Экология микроорганизмов экстремальных водных систем: учеб. пособие / Б.Б. Намсараев, Е.Ю. Абидуева, Е.В. Лаврентьева и др. – Улан-Удэ: Издательство Бурятского госуниверситета, 2008. – 94 с.

14.Chinnathambi A. Industrial Important Enzymes from Alkaliphiles – An Overview. Biosci Biotechnol Res Asia 2015.

15. Sharma, Archana & Parashar, Deepak & Satyanarayana, T.. (2016). Acidophilic Microbes: Biology and Applications. 10.1007/978-3-319-13521-2_7.

16. Guan, N., Liu, L. Microbial response to acid stress: mechanisms and applications. Appl Microbiol Biotechnol 104, 51–65 (2020).

17. Селиванова Е. А. Механизмы выживания микроорганизмов в гиперосмотических условиях. Оренбург, 2012. С. 1–8.

18. Яковлева А.К., Канарская З.А., Канарский А.В. Перспективы использования галофильных и галотолерантных микроорганизмов в биотехнологии // Вестник Казанского технологического университета. 2017. №8.

19. Экстремофильные микроорганизмы: биохимическая адаптация и биотехнологическое применение (обзор) / Е. В. Морозкина, Э. С. Слуцкая, Т. В. Федорова [и др.] // Прикладная биохимия и микробиология. – 2010. – Т. 46. – № 1. – С. 5-20.

20. Brim H, McFarlan SC, Fredrickson JK, Minton KW, Zhai M, Wackett LP, Daly MJ. Engineering Deinococcus radiodurans for metal remediation in radioactive mixed waste environments. Nat Biotechnol. 2000 Jan.