Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Термус акватикус – жоғары температураға төзімді бактериялардың бір түрі, Deinococcota филумына жататын термофильді бактериялардың бірі. Ол полимераза тізбектік реакциясы (ПТР) ДНК күшейту техникасында қолданылатын, молекулалық биологиядағы маңызды ферменттердің бірі – жылуға төзімді Taq ДНК полимераза ферментінің көзі болып табылады.
Species of bacterium
Thermus aquaticus is a species of bacteria that can tolerate high temperatures, one of several thermophilic bacteria that belong to the Deinococcota phylum. It is the source of the heat resistant enzyme Taq DNA polymerase, one of the most important enzymes in molecular biology because of its use in the polymerase chain reaction (PCR) DNA amplification technique.
Тарих
1960 жылдары ыстық бұлақтардағы биологиялық организмдерді зерттеу басталғанда, ғалымдар термофильді бактериялардың өмірі шамамен 55 °C (131 °F) жоғары температурада сақталуы мүмкін емес деп ойлады. Бірақ көп ұзамай, әртүрлі бұлақтардағы көптеген бактериялар тірі қалып қана қоймай, одан да жоғары температурада өркендейтіні анықталды. 1969 жылы Индиана университетінің Томас Д. Брок және Хадсон Фриз термофильді бактериялардың жаңа түрін ашып, оны Thermus aquaticus деп атады. Бұл бактерия алғаш рет Йеллоустоун ұлттық паркінің Төменгі гейзер алабындағы Саңырауқұлақ бұлағынан оқшауланды, бұл бұл бұлақ Үлкен фонтан гейзері мен Ақ күмбез гейзеріне жақын орналасқан. Кейіннен әлемнің басқа да ұқсас жылулы орталарында да табылған. Он жылдар өткен соң, бұл жаңалық зор маңызға ие болды, соның ішінде биохимик Кэри Муллистің полимераз тізбекті реакциясын (ПТР) ойлап табуына әкелді. ПТР ДНК зерттеулерінде революция жасады және Муллиске 1993 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығын әкелді. ПТР медициналық диагностика, генетика және басқа да салалардағы прогреске ықпал етті. Кэри Муллис ПТР-ді ашқаннан кейін Cetus компаниясы оған 10 000 доллар сыйлық берді. Алайда, Cetus кейін ПТР патентерін F. Hoffmann La Roche (Roche) компаниясына 300 миллион долларға сатты. Бұл мәміле Муллистің өмірі бойы алданып қалғандай сезінуіне себеп болды. Roche компаниясы ПТР патентинен үлкен пайда тапты, 2022 жылы ПТР-мен байланысты жылдық сату 5,4 миллиард долларға жетті. Осы пайдаға қарамастан, Ұлттық парктер қызметі, Йеллоустоун ұлттық паркі және Вайоминг штаты осы табыстың ешқандай бөлігін алмады. Йеллоустондағы экстремофильдердің ғылыми және қаржылық әлеуетін таныған Diversa сияқты биотехнологиялық компаниялар биологиялық іздеу жұмыстары үшін Ұлттық парктер қызметімен келісімдер жасады. Бұл кейбір экологиялық алаңдаушылықтарға қарамастан, ғылыми зерттеулерді одан әрі дамытуға және оның коммерциялық қолданылуына мүмкіндік берді. Жалпы алғанда, Броктың Йеллоустоунның ыстық бұлақтарындағы алғашқы ашылуы маңызды ғылыми жаңалықтарға жол ашты, инновациялар мен технологиялық жетістіктерді дамытудағы негізгі зерттеулердің маңыздылығын көрсетті.
When studies of biological organisms in hot springs began in the 1960s, scientists thought that the life of thermophilic bacteria could not be sustained in temperatures above about 55 °C (131 °F). Soon, however, it was discovered that many bacteria in different springs not only survived, but also thrived in higher temperatures. In 1969, Thomas D. Brock and Hudson Freeze of Indiana University reported a new species of thermophilic bacteria which they named Thermus aquaticus. The bacterium was first isolated from Mushroom Spring in the Lower Geyser Basin of Yellowstone National Park, which is near the major Great Fountain Geyser and White Dome Geyser, and has since been found in similar thermal habitats around the world. Decades later, this discovery had profound implications, including the invention of Polymerase Chain Reaction (PCR) by biochemist Kary Mullis, which revolutionized DNA research and earned Mullis a Nobel Prize in Chemistry in 1993. PCR facilitated advancements in medical diagnostics, genetics, and other fields. After Kary Mullis' discovery of PCR, Cetus awarded him $10,000. However, Cetus later sold the PCR patent to F. Hoffmann La Roche (Roche) for $300 million. This transaction left Mullis feeling cheated throughout his life. Roche has since profited immensely from the PCR patent, with annual PCR related sales reaching $5.4 billion in 2022. Despite these profits, neither the National Park Service, Yellowstone National Park, nor the state of Wyoming have received any share of these revenues. Recognizing the scientific and financial potential of Yellowstone's extremophiles, biotechnology companies like Diversa signed agreements with the National Park Service for bioprospecting. This led to further scientific exploration and potential commercial applications, despite some environmental concerns. Overall, Brock's initial discovery in Yellowstone's hot springs paved the way for significant scientific breakthroughs, demonstrating the importance of basic research in driving innovation and technological advancements.
Биология
T. aquaticus 65–70 °C (149–158 °F) температурада ең жақсы өседі, бірақ 50–80 °C (122–176 °F) температурада тіршілік ете алады. Ол негізінен қоршаған ортасынан протеин іздеп жейді, бұл туралы жасушадан тыс және жасушаішілік протеазалар мен пептидазалардың көп саны, сондай-ақ аминқышқылдары мен олигопептидтерді жасушалық мембрана арқылы тасымалдайтын ақуыздар куәландырады. Бұл бактерия – хемотроф, ол тағам алу үшін хемосинтез жасайды. Дегенмен, оның температуралық диапазоны идеалды ортасын бөлісетін фотосинтезге қабілетті цианобактериялармен шамалы ғана сәйкес келетіндіктен, кейде ол көршілерімен бірге тіршілік етеді, олардың фотосинтезінен өсу үшін энергия алады. T. aquaticus әдетте аэробалық жағдайда тыныс алады, бірақ оның Thermus aquaticus Y51MC23 деген штаммы анаэробты жағдайда өсірілуі мүмкін. T. aquaticus-тың генетикалық материалы бір хромосома және төрт плазмидтен тұрады, ал геномның толық тізбектелуі көптеген локустарда CRISPR гендерінің бар екенін көрсетті.
T. aquaticus shows best growth at 65–70 °C (149–158 °F), but can survive at temperatures of 50–80 °C (122–176 °F). It primarily scavenges for protein from its environment as is evidenced by the large number of extracellular and intracellular proteases and peptidases as well as transport proteins for amino acids and oligopeptides across its cell membrane. This bacterium is a chemotroph—it performs chemosynthesis to obtain food. However, since its range of temperature overlaps somewhat with that of the photosynthetic cyanobacteria that share its ideal environment, it is sometimes found living jointly with its neighbors, obtaining energy for growth from their photosynthesis. T. aquaticus normally respires aerobically but one of its strains, Thermus aquaticus Y51MC23, is able to be grown anaerobically. The genetic material of T. aquaticus consists of one chromosome and four plasmids, and its complete genome sequencing revealed CRISPR genes at numerous loci.
Морфология
Термус акватикус әдетте 0,5 мкм-ден 0,8 мкм-ге дейінгі диаметрлі цилиндр пішінде болады. Қысқа таяқша пішіндегі бактериялардың ұзындығы 5 мкм-ден 10 мкм-ге дейін жетеді. Ұзын жіп пішіндегі бактериялардың ұзындығы кең ауқымда өзгереді және кейбір жағдайларда 200 мкм-ден асып кетеді. T. aquaticus әртүрлі мәдениеттерде таяқша пішінде немесе қысқа жіп пішінде бірнеше морфологиялық түрлерді көрсетеді. Таяқша пішіндегі бактериялар жиналуға бейім. Бірнеше жеке бактериялардың бірігуі нәтижесінде 10 мкм-ден 20 мкм-ге дейінгі диаметрлі шар тәрізді денелер пайда болуы мүмкін, бұлар дөңгелек денелер деп те аталады. Бұл денелер бұрынғыдай жасушалық қабықшадан немесе сыртқы мембрана компоненттерінен емес, қайта құрылған пептидогликан жасуша қабырғасынан тұрады. Олардың T. aquaticus тіршілігіндегі нақты қызметі әлі белгісіз, бірақ уақытша қоректік заттар мен нуклеотидтерді сақтауға немесе колониялардың бірігуі мен ұйымдастырылуына қатысуы мүмкін деген теория бар.
Thermus aquaticus is generally of cylindrical shape with a diameter of 0.5 μm to 0.8 μm. The shorter rod shape has a length of 5 μm to 10 μm. The longer filament shape has a length that varies greatly and in some cases exceeds 200 μm. T. aquaticus has shown multiple possible morphologies in different cultures, rod shaped or as short filaments. The rod shaped bacteria have a tendency to aggregate. Associations of several individuals can lead to the formation of spherical bodies 10 μm to 20 μm in diameter, also called rotund bodies. These bodies are not composed of cell envelope or outer membrane components as previously thought, but are instead made from remodelled peptidoglycan cell wall. Their exact function in the survival of T. aquaticus remains unknown but has been theorised to include temporary food and nucleotide storage, or they may play a role in the attachment and organisation of colonies.
РНК полимераза
1974 жылы T. aquaticus-тан оқшауланған алғашқы полимераза ферменті ДНК-ға тәуелді РНК полимераза болды, ол транскрипция процесінде қолданылды.
The first polymerase enzyme isolated from T. aquaticus in 1974 was a DNA dependent RNA polymerase, used in the process of transcription.
Taq I шектеу ферменті
Көптеген молекулалық биологтар T. aquaticus туралы 1970 жылдардың соңында немесе 1980 жылдардың басында осы организмнен пайдалы шектеу эндонуклеазаларын бөліп алу арқасында білген болуы мүмкін. Taq терминінің Thermus aquaticus-қа сілтеме жасау үшін қолданылуы осы кезде шектеу ферменттеріне қысқаша атау беру қағидасынан туындады, мысалы, Sal және Hin сияқты, олар бастапқы организмдердің туысы мен түрінен алынған.
Most molecular biologists probably became aware of T. aquaticus in the late 1970s or early 1980s because of the isolation of useful restriction endonucleases from this organism. Use of the term Taq to refer to Thermus aquaticus arose at this time from the convention of giving restriction enzymes short names, such as Sal and Hin, derived from the genus and species of the source organisms.
ДНК полимеразасы ("Taq pol")
ДНҚ полимераза алғаш рет 1976 жылы T. aquaticus-тан бөліп алынды. Бұл термостабильді (оптималды температура 72°C, тіпті 95°C-да денатурацияланбайды) ДНҚ полимеразаның алғашқы артықшылығы – оны басқа көздерден алынған ДНҚ полимеразаға қарағанда таза нысанда (басқа ферменттердің қоспаларынан бос) бөліп алуға болатындығы еді. Кейін Кэри Муллис және Cetus Corporation компаниясының басқа зерттеушілері бұл ферментті ДНҚ-ның қысқа бөліктерін амплификациялау үшін полимераза тізбекті реакция (ПТР) процесінде қолдануға болатынын тапты, бұл ДНҚ-ның термиялық денатурациясының әрбір циклынан кейін E. coli полимераза ферменттерін қосу қажеттілігін жойды. Фермент сондай-ақ клондалды, секвенирленді, модификацияланды (қысқа "Стоффель фрагментін" өндіру үшін) және коммерциялық сату үшін үлкен көлемде өндірілді. 1989 жылы "Science" журналы Taq полимеразасын алғашқы "Жыл молекуласы" деп жариялады. 1993 жылы Муллис ПТР жұмысы үшін химия бойынша Нобель сыйлығымен марапатталды.
DNA polymerase was first isolated from T. aquaticus in 1976. The first advantage found for this thermostable (temperature optimum 72°C, does not denature even in 95 °C) DNA polymerase was that it could be isolated in a purer form (free of other enzyme contaminants) than could the DNA polymerase from other sources. Later, Kary Mullis and other investigators at Cetus Corporation discovered this enzyme could be used in the polymerase chain reaction (PCR) process for amplifying short segments of DNA, eliminating the need to add E. coli polymerase enzymes after every cycle of thermal denaturation of the DNA. The enzyme was also cloned, sequenced, modified (to produce the shorter 'Stoffel fragment'), and produced in large quantities for commercial sale. In 1989 Science magazine named Taq polymerase as its first "Molecule of the Year". In 1993, Mullis was awarded the Nobel Prize in Chemistry for his work with PCR.
Басқа ферменттер
Т. aquaticus үшін жоғары оңтайлы температура ғалымдарға басқа ферменттердің активтілігі төмендейтін жағдайларда реакцияларды зерттеуге мүмкіндік береді. Бұл организмнен бөлініп алынған басқа ферменттерге ДНҚ лигазасы, сілтілік фосфатаза, NADH оксидазасы, изоцитрат дегидрогеназасы, амиломальтаза және фруктоза 1,6-дифосфатқа тәуелді L-лактат дегидрогеназасы кіреді.
The high optimum temperature for T. aquaticus allows researchers to study reactions under conditions for which other enzymes lose activity. Other enzymes isolated from this organism include DNA ligase, alkaline phosphatase, NADH oxidase, isocitrate dehydrogenase, amylomaltase, and fructose 1,6 disphosphate dependent L lactate dehydrogenase.
Дау
Т. aquaticus ферменттерін коммерциялық тұрғыда пайдалану дау тудырды. Броктың зерттеулерінен кейін аталған организмнің үлгілері американдық типтік мәдениеттер жинағына – жалпыға қолжетімді сақтау орнына тапсырылды. Cetus компаниясындағы және басқа ғалымдар да оны сол жерден алды. 1990 жылдары Taq полимеразасының коммерциялық мүмкіндігі анықталғаннан кейін, Ұлттық саябақтар қызметі оның пайдалануын "Ұлы Taq тонауы" деп бағалады. Қазір Ұлттық саябақтарда жұмыс істейтін зерттеушілер "пайданы бөлісу" келісімдеріне қол қоюға міндетті, осы арқылы болашақ табыстың бір бөлігі саябақтар қызметіне қайтарылады.
The commercial use of enzymes from T. aquaticus has not been without controversy. After Brock's studies, samples of the organism were deposited in the American Type Culture Collection, a public repository. Other scientists, including those at Cetus, obtained it from there. As the commercial potential of Taq polymerase became apparent in the 1990s, the National Park Service labeled its use as the "Great Taq Rip off". Researchers working in National Parks are now required to sign "benefits sharing" agreements that would send a portion of later profits back to the Park Service.