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.

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.

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.

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.

РНК полимераза

1974 жылы T. aquaticus-тан оқшауланған алғашқы полимераза ферменті ДНК-ға тәуелді РНК полимераза болды, ол транскрипция процесінде қолданылды.

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.

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.

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.

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.