Thermus aquaticus: الخصائص ودورة الحياة والتطبيقات

ثيرموس أكواتيكوس هي بكتيريا حرارية ، اكتشفها توماس بروك في عام 1967 ، وتقع في فيلمن دينوكوكوس ترموس. إنها كائنات حية سلبية الغرام وغير متجانسة وهوائية تتمتع بالاستقرار الحراري كخاصية جوهرية.

يتم الحصول عليها من مجموعة متنوعة من المصادر الحرارية بين 50 درجة مئوية و 80 درجة مئوية ، ودرجة الحموضة 6.0 إلى 10.5 ، في حديقة يلوستون الوطنية وكاليفورنيا في أمريكا الشمالية. كما تم عزلها عن الموائل الحرارية الاصطناعية.

إنه مصدر للإنزيمات المقاومة للحرارة ، والتي تنجو من دورات تغيير الطبيعة المختلفة. في هذا السياق ، تعد البروتينات والإنزيمات ذات أهمية خاصة لصناعة التكنولوجيا الحيوية.

هذه هي الطريقة التي يتم بها استخدام الإنزيمات التي يتم تكوينها في الهندسة الوراثية ، وفي تفاعل سلسلة البوليميريز (PCR) ، وكأداة للبحث العلمي والطب الشرعي (Williams and Sharp، 1995).

الخصائص العامة

انها سلبية الجرام

عندما يتم إخضاع ثيرموس أكواتيكوس لعملية صبغة الجرام ، فإنه يكتسب لونًا فوشيا. هذا لأن جدار الببتيدوغليكان رقيق للغاية بحيث لا يتم حصر جزيئات الصبغ فيه.

موطن

تم تصميم هذه البكتيريا لتحمل درجات الحرارة العالية للغاية. هذا يعني أن موطنه الطبيعي هو مواقع على الكوكب حيث تتجاوز درجات الحرارة 50 درجة مئوية.

وبهذا المعنى ، تم عزل هذه البكتيريا عن السخانات ، كونها الأكثر شيوعًا في منتزه يلوستون الوطني ؛ الينابيع الساخنة في جميع أنحاء العالم ، وكذلك البيئات الساخنة للمياه الاصطناعية.

هو الهوائية

هذا يعني أن Thermus aquaticus عبارة عن بكتيريا يجب أن تكون في بيئات توفر توافر الأكسجين لتنفيذ عمليات الأيض الخاصة بها.

إنه محب للحرارة

هذه هي واحدة من أكثر الخصائص تمثيلا ل Thermus aquaticus . تم عزل هذه البكتيريا عن المواقع التي تكون درجات الحرارة فيها عالية للغاية.

يعتبر Thermus aquaticus بكتيريا خاصة ومقاومة للغاية ، لأنه في درجات حرارة عالية مثل تلك التي يدعمها ، يتم تغيير طبيعة البروتينات الموجودة في معظم الكائنات الحية وتفشل في أداء وظائفها بشكل لا رجعة فيه.

هذه البكتيريا لديها درجة حرارة نمو تتراوح بين 40 درجة مئوية إلى 79 درجة مئوية ، مع درجة حرارة نمو مثالية تصل إلى 70 درجة مئوية.

انه غير متجانسة

مثل أي كائن حي مغاير ، تتطلب هذه البكتيريا مركبات عضوية موجودة في البيئة لتتطور. المصادر الرئيسية للمواد العضوية هي البكتيريا والطحالب الموجودة في المناطق المحيطة ، وكذلك التربة المحيطة.

يتطور في البيئات القلوية قليلاً

إن الرقم الهيدروجيني الأمثل الذي يمكن أن يتطور عنده Thermus aquaticus بدون البروتينات التي تجعله يفقد وظيفته يتراوح بين 7.5 و 8. يجدر بنا أن نتذكر أن الرقم 7 على مقياس الرقم الهيدروجيني محايد. فوق هذا القلوية وتحت حمض.

وتنتج الكثير من الانزيمات

يعتبر Thermus aquaticus كائنًا حيويًا مفيدًا جدًا من الناحية التجريبية نظرًا لقدرته على العيش في بيئات ذات درجات حرارة عالية.

حسنًا ، من خلال العديد من التحقيقات ، تم تحديد أنه يجمع العديد من الإنزيمات التي ، بفضول ، في الكائنات الحية الدقيقة الأخرى ، في نفس درجات الحرارة ، تفسد وظائفها وتفقد وظيفتها.

الإنزيمات التي تم تصنيعها بواسطة Thermus aquaticus والتي تمت دراستها أكثر شيئ ؛

• ألدولاز
• طقأ تقييد الانزيم
• Ligase الحمض النووي
• الفوسفاتيز القلوي
• إيزوسيترات هيدروجينيز
• amylomaltase

التطابق والتصنيف

تم تأطير هذه الكائنات الحية الدقيقة في إطار النهج الكلاسيكي:

• المملكة: البكتيريا
• Phylum: Deinococcus- ثيرموس
• الدرجة: Deinococci
• الترتيب: الحرارية
• الأسرة: Thermaceae
• النوع: الترمس
• الأنواع: Thermus aquaticus.

مورفولوجيا

تنتمي بكتيريا ثيرموس أكواتيكوس إلى مجموعة البكتيريا على شكل قضيب (عصيّات). الخلايا لها حجم تقريبي ما بين 4 و 10 ميكرون. في المجهر ، يمكنك رؤية خلايا كبيرة جدًا ، وكذلك خلايا صغيرة. أنها لا تقدم أهداب أو سوط على سطح الخلية.

تحتوي خلية ثيرموس أكواتيكوس على غشاء يتكامل بدوره مع ثلاث طبقات: البلازما الداخلية ، الخارجية الخارجية ذات المظهر الخشبي والأخرى الوسيطة.

واحدة من الخصائص المميزة لهذا النوع من البكتيريا هو أن في الغشاء الداخلي هناك هياكل تبدو وكأنها قضبان ، والتي تعرف باسم الهيئات rotund.

بنفس الطريقة ، تحتوي هذه البكتيريا على ببتيدوغليكان قليل جدًا في جدران خلاياها ، وعلى عكس البكتيريا إيجابية الجرام ، فإنها تحتوي على البروتينات الدهنية.

عندما تتعرض للضوء الطبيعي ، يمكن أن تتخذ خلايا البكتيريا لونًا أصفر أو ورديًا أو أحمر. هذا يرجع إلى الأصباغ الموجودة في الخلايا البكتيرية.

تتكون المادة الوراثية من كروموسوم دائري واحد يحتوي على الحمض النووي. من هذا ، يتكون حوالي 65 ٪ من النيوكليوتيدات في غوانيين وسيتوزين ، حيث أن النوكليوتيدات في ثيمين وأدينين تمثل 35 ٪.

دورة الحياة

بشكل عام ، تتكاثر البكتيريا ، بما في ذلك T. aquaticus ، بلا جنس عن طريق انقسام الخلايا. يبدأ كروموسوم الدنا الوحيد في التكرار. تتكرر لتكون قادرة على وراثة جميع المعلومات الوراثية من الخلايا الابنة ، وذلك بسبب وجود إنزيم يسمى بوليميريز الحمض النووي. في 20 دقيقة يكتمل الكروموسوم الجديد ويتم تثبيته في موقع في الخلية.

يستمر الانقسام وبعد 25 دقيقة ، بدأ الصبغيان يتضاعفان. يظهر انقسام في وسط الخلية وفي 38 دقيقة. تحتوي خلايا الابنة على التقسيم مفصولة بجدار ، وتنتهي التقسيم اللاجنسي في 45-50 دقيقة. (دريفوس ، 2012).

هيكل الخلية والتمثيل الغذائي

لأنه بكتيريا سالبة الجرام ، فإنه يحتوي على غشاء خارجي (طبقة البروتين الدهني) والمحيطات (الغشاء المائي) ، حيث يوجد الببتيدوغليكان. لم يلاحظ أي أهداب ، ولا سوط.

يجب أن يتكيف تكوين الدهون في هذه الكائنات المحبة للحرارة مع تقلبات درجة حرارة السياق الذي تتطور فيه ، للحفاظ على وظائف العمليات الخلوية ، دون فقدان الاستقرار الكيميائي الضروري لتجنب الذوبان في درجات حرارة عالية (Ray et al. . 1971).

من ناحية أخرى ، أصبح T. aquaticus مصدرا حقيقيا للأنزيمات القابلة للحرارة. Taq DNA polymerase ، هو إنزيم يحفز تحلل ركيزة يولد رابطة مزدوجة ، لذلك يرتبط بالإنزيمات من نوع الليز (الإنزيمات التي تحفز إطلاق الروابط).

بالنظر إلى أنه يأتي من بكتيريا محبة للحرارة ، فإنه يقاوم الحضانات لفترة طويلة في درجات حرارة عالية (Lamble ، 2009).

تجدر الإشارة إلى أن كل كائن حي يحتوي على بوليميريز الحمض النووي من أجل التكرار ، ولكن بسبب تركيبته الكيميائية لا يقاوم درجات الحرارة العالية. وهذا هو السبب في أن polymerase taq DNA هو الإنزيم الرئيسي المستخدم لتضخيم تسلسل الجينوم البشري ، وكذلك جينومات الأنواع الأخرى.

تطبيقات

تضخيم الشظايا

يسمح الثبات الحراري للإنزيم باستخدامه في التقنيات لتضخيم شظايا الحمض النووي من خلال التكاثر في المختبر ، مثل PCR (تفاعل البلمرة المتسلسل) (Mas and Colbs، 2001).

لهذا الغرض ، الاشعال الأولي والنهائي (تسلسل النيوكليوتيدات القصير الذي يوفر نقطة انطلاق لتوليف الحمض النووي) ، بوليميريز الحمض النووي ، ثلاثي فوسفات النوكليوتيدات ، العازلة والكاتيونات مطلوبة.

يتم وضع أنبوب التفاعل مع جميع العناصر في cycler الحرارية بين 94 و 98 درجة مئوية ، لتقسيم الحمض النووي إلى سلاسل بسيطة.

بدء أداء الاشعال ويحدث التسخين مرة أخرى بين 75-80 درجة مئوية. بدء التوليف من 5 'نهاية إلى 3' من الحمض النووي.

هنا هي أهمية استخدام الانزيم بالحرارة. إذا تم استخدام أي بلمرة أخرى ، فسوف يتم تدميره أثناء درجات الحرارة القصوى اللازمة لتنفيذ العملية.

اكتشف Kary Mullis والباحثون الآخرون في Cetus Corporation استبعاد الحاجة إلى إضافة إنزيم بعد كل دورة من التغير الحراري للحمض النووي. تم استنساخ الإنزيم وتعديله وإنتاجه بكميات كبيرة للبيع التجاري.

تحفيز التفاعلات الكيميائية الحيوية

أدت دراسات الإنزيمات القابلة للحرارة إلى تطبيق مجموعة كبيرة من العمليات الصناعية وكانت بمثابة طفرة في البيولوجيا الجزيئية. من وجهة نظر التكنولوجيا الحيوية ، فإن إنزيماتها قادرة على تحفيز التفاعلات الكيميائية الحيوية في ظل ظروف درجات الحرارة القصوى.

على سبيل المثال ، تم تطوير البحوث لتطوير عملية لإدارة نفايات ريش الدجاج دون استخدام الكائنات الحية الدقيقة التي يحتمل أن تكون معدية.

درسنا التحلل الأحيائي لريش الدجاج بوساطة إنتاج البروتياز الكيراتينية ، مما يعني استخدام T. aquaticus غير المسببة للحرارة (Bhagat ، 2012).

التكنولوجيا الحيوية الغذائية

يبدأ التحلل المائي للجلوتين بواسطة سيرين ببتيداز أكواليسين 1 الحراري T. aquaticus ، أعلى من 80 درجة مئوية في صناعة الخبز.

مع هذا ، تتم دراسة المساهمة النسبية للغلوتين القابل للحرارة في نسيج كسرة الخبز (Verbauwhede and Colb، 2017).

تحلل مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور

فيما يتعلق بالفائدة في المجال الصناعي ، يتم تطبيق إنزيمات ثيرموس أكواتيكوس مثل البكتيريا المحبة للحرارة في تحلل مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCBs).

تستخدم هذه المركبات كمبردات في المعدات الكهربائية. السمية واسعة جدا وتدهورها بطيء جدا (رويز ، 2005).