Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жасыл балдырдың түрі
Species of alga
Chlamydomonas reinhardtii – диаметрі шамамен 10 микрометр болатын, екі қамшысы бар бір жасушалы жасыл балдыр. Оның жасуша қабырғасы гидроксипролинге бай гликопротеиндерден, үлкен тостаған тәрізді хлоропласттан, үлкен пиреноидтан және жарықты сезетін көз нүктесінен тұрады. Хламидомона түрлері топырақ пен тұщы суда бүкіл әлемде кеңінен таралған, олардың ішінде Chlamydomonas reinhardtii ең көп таралған және кеңінен тараған түрлердің бірі. Түрдің атауы орыс тілінен жасалған әртүрлі транслитерацияларға байланысты бірнеше түрлі жазылу нұсқаларына ие: reinhardi, reinhardii және reinhardtii – бәрі де бір түрді, C. reinhardtii Dangeard-ты білдіреді.
Chlamydomonas reinhardtii is a single cell green alga about 10 micrometres in diameter that swims with two flagella. It has a cell wall made of hydroxyproline rich glycoproteins, a large cup shaped chloroplast, a large pyrenoid, and an eyespot that senses light. Chlamydomonas species are widely distributed worldwide in soil and fresh water, of which Chlamydomonas reinhardtii is one of the most common and widespread. The species' name has been spelled several different ways because of different transliterations of the name from Russian: reinhardi, reinhardii, and reinhardtii all refer to the same species, C. reinhardtii Dangeard.
Сипаттама
Chlamydomonas reinhardtii клеткалары көбінесе шар тәрізді, бірақ эллипсоидты, жұмыртқа тәрізді, кері жұмыртқа тәрізді немесе асимметриялық болуы мүмкін. Олардың ұзындығы 10–22 мкм, ені 8–22 мкм. Жасуша қабырғасы жұқа, сопақшасы жоқ. Қамшылары жасуша денесінен 1,5–2 есе ұзын. Жасушалар жасушаның түбін астарлаған бір стақан тәрізді хлоропластты және бір базалық пиреноидты қамтиды.
Cells of Chlamydomonas reinhardtii are mostly spherical, but can range from ellipsoidal, ovoid, obovoid, or asymmetrical. They are 10–22 μm long and 8–22 μm wide. The cell wall is thin, lacking a papilla. The flagella are 1.5 to 2 times the length of the cell body. Cells contain a single cup shaped chloroplast lining the bottom of the cell, with a single basal pyrenoid.
Көздің орны
C. reinhardtii-нің көзшесі динофлагелляттардағы көзшеге ұқсас. Көзше жасушаның экваторына жақын орналасқан. Ол хлоропласттың каротиноидқа толы түйіршік қабатынан тұрады, бұл қабат жарықтың шағылыстырғышы ретінде жұмыс істейді. Көзшенің басты функциясы – фототаксис, ол жарық стимулына байланысты (флагеллумдармен) қозғалыс болып табылады. Фототаксис балдыр үшін маңызды және фотосинтез үшін ең қолайлы жарық жағдайлары бар ортаны табуға көмектеседі. Фототаксис жарықтың қарқындылығына қарай оң немесе теріс болуы мүмкін. Channelrhodopsin 1 және Channelrhodopsin 2 ақуыздары, жарықпен ашылатын катиондық каналдар ретінде жұмыс істейді, алғаш рет C. reinhardtii-ден бөліп алынған. Бұл және осыған ұқсас басқа ақуыздар оптогенетика саласында кеңінен қолданылуда.
C. reinhardtii has an eyespot similar to that of dinoflagellates. The eyespot is located near the cell equator. It is composed of a carotenoid rich granule layer in the chloroplast which act like a light reflector. The main function of the eyespot is the phototaxis, which consist of the movement (with the flagella) related to a light stimulus. The phototaxis is crucial for the alga and allows for localization of the environment with optimal light conditions for photosynthesis. Phototaxis can be positive or negative depending on the light intensity. Channelrhodopsin 1 and Channelrhodopsin 2, proteins that function as light gated cation channels, were originally isolated from C. reinhardtii. These proteins and others like them are increasingly widely used in the field of optogenetics.
Митохондриялық маңыздылығы
C. reinhardtii геномы митохондрияны зерттеу үшін маңызды, себебі бұл түрде митохондрияға кодталған 13 ақуыздың 6-сының гендері клетка ядросында, ал қалған 7-сі митохондрияда орналасқан. Басқа барлық түрлерде бұл гендер тек митохондрияда ғана кездеседі және оларды бөтен жерде экспрессиялау мүмкін емес. Бұл генетикалық митохондриялық ауруларды емдеу әдістерін сынау және дамыту үшін маңызды.
The genome of C. reinhardtii is significant for mitochondrial study as it is one species where the genes for 6 of the 13 proteins encoded for the mitochondria are found in the nucleus of the cell, leaving 7 in the mitochondria. In all other species these genes are present only in the mitochondria and are unable to be allotopically expressed. This is significant for the testing and development of therapies for genetic mitochondrial diseases.
Көбею
Реинхардти түрлерінің вегетативтік жасушалары 17 кішкентай хромосомасы бар гаплоидты болып табылады. Азот жетіспеу кезінде вегетативтік жасушалар гаплоидты гаметаларға дифференциалданады. Екі жұптасу типі бар, олар сыртқы түрі жағынан бірдей, демек изогамды, және mt(+) және mt(-) деп белгіленеді, олар диплоидты зигота құру үшін бірігуге қабілетті. Зиготада қамшық болмайды, ол топырақтағы түрдің ұйықтайтын түрі ретінде қызмет етеді. Жарықта зигота мейозға ұшырап, төрт қамшықты гаплоидты жасушаны босатады, олар вегетативтік өмірлік циклді жалғастырады. Өсудің қолайлы жағдайларында жасушалар митоздың екі немесе үш айналымын өткеруі мүмкін, содан кейін туынды жасушалар ескі жасуша қабырғасынан ортаға шығарылады. Осылайша, бір өсу кезеңінде аналық жасушадан 4 немесе 8 туынды жасуша пайда болуы мүмкін. Бұл бір жасушалы жасыл балдырдың жасушалық циклы жарық пен қараңғылықтың кезектесуі арқылы синхронды түрде жүзеге асырылуы мүмкін. Өсу фазасы жарыққа тәуелді, ал белгілі бір өтпелі немесе міндеттемелік нүктеден кейін процестер жарықтан тәуелсіз болады.
Vegetative cells of reinhardtii species are haploid with 17 small chromosomes. Under nitrogen starvation, vegetative cells differentiate into haploid gametes. There are two mating types, identical in appearance, thus isogamous, and known as mt(+) and mt( ), which can fuse to form a diploid zygote. The zygote is not flagellated, and it serves as a dormant form of the species in the soil. In the light, the zygote undergoes meiosis and releases four flagellated haploid cells that resume the vegetative lifecycle. Under ideal growth conditions, cells may sometimes undergo two or three rounds of mitosis before the daughter cells are released from the old cell wall into the medium. Thus, a single growth step may result in 4 or 8 daughter cells per mother cell. The cell cycle of this unicellular green algae can be synchronized by alternating periods of light and dark. The growth phase is dependent on light, whereas, after a point designated as the transition or commitment point, processes are light independent.
Генетика
Алғалардың үлгілік организм ретінде тартымдылығы жақында бірнеше геномдық ресурстардың көпшілікке қолжетімді болуына байланысты артты. АҚШ Энергетика министрлігінің Бірлескен геномдық институты дайындаған Chlre3 хлоромионада ядролық геномының жобасы 120 Мб жалпы көлеміндегі 1557 эшафлотты қамтиды. Геномның шамамен жартысы 24 эшафодта орналасқан, олардың барлығы кем дегенде 1,6 Мб ұзындықта. Ядролық геномның қазіргі жинағы онлайн режимінде қолжетімді. ~15.8 Кб митохондриялық геном (деректер қорына кіру: NC 001638) NCBI деректер базасында онлайн қолжетімді. Толық ~203,8 Кб хлоропласт геномы (деректер қорына кіру: NC 005353) онлайн режимінде қолжетімді. Геномдық реттілік деректеріне қоса, cDNA кітапханалары және экспрессияланған реттілік тегтері (EST) түрінде экспрессиялық реттілік деректерінің үлкен қоры бар. Жеті cDNA кітапханасы онлайн режимінде қолжетімді. BAC кітапханасын Клемсон университетінің Геномика институтынан сатып алуға болады. Сонымен қатар, интернетте >50 000 және >160 000 EST-мен байланысты екі дерекқор бар. Көптеген ядролық гендерді қамтитын, картаға түсірілген кіріктіру орындары бар мутанттардың геномдық кең жинағы: https://www.chlamylibrary.org/. C. reinhardtii геномында N6 метилдеоксиаденозин (6mA) бар екені анықталды, бұл прокариоттарда кең таралған, бірақ эукариоттарда сирек кездесетін маркер. Кейбір зерттеулер 6mA хлоромионадада нуклеосомалардың орналасуына қатысы бар екенін көрсетті, себебі ол нуклеосомалар арасындағы байланыстыратын аймақтарда, сондай-ақ белсенді транскрипцияланатын гендердің транскрипция басталу орындарының жанында кездеседі. C. reinhardtii бірнеше ДНК жөндеу процестерін жүзеге асыра алады. Оларға рекомбинациялық жөндеу, жіп үзілуін жөндеу және экзизиялық жөндеу жатады.
The attractiveness of the algae as a model organism has recently increased with the release of several genomic resources to the public domain. The Chlre3 draft of the Chlamydomonas nuclear genome sequence prepared by Joint Genome Institute of the U. S. Dept of Energy comprises 1557 scaffolds totaling 120 Mb. Roughly half of the genome is contained in 24 scaffolds all at least 1.6 Mb in length. The current assembly of the nuclear genome is available online. The ~15.8 Kb mitochondrial genome (database accession: NC 001638) is available online at the NCBI database. The complete ~203.8 Kb chloroplast genome (database accession: NC 005353) is available online. In addition to genomic sequence data, there is a large supply of expression sequence data available as cDNA libraries and expressed sequence tags (ESTs). Seven cDNA libraries are available online. A BAC library can be purchased from the Clemson University Genomics Institute. There are also two databases of >50 000 and >160 000 ESTs available online. A genome wide collection of mutants with mapped insertion sites covering most nuclear genes is available: https://www. chlamylibrary. org/. The genome of C. reinhardtii has been shown to contain N6 Methyldeoxyadenosine (6mA), a mark common in prokaryotes but much rarer in eukaryotes. Some research has indicated that 6mA in Chlamydomonas may be involved in nucleosome positioning, as it is present in the linker regions between nucleosomes as well as near the transcription start sites of actively transcribed genes. C. reinhardtii appears to be capable of several DNA repair processes. These include recombinational repair, strand break repair and excision repair.
Эксперименталды эволюция
Хламидомона эволюциялық биология мен экологияның түрлі аспектілерін зерттеуге пайдаланылған. Ол көптеген таңдау эксперименттері үшін қанаттандырылған организм, себебі (1) оның ұрпақ алмасу уақыты қысқа, (2) ол автотроф және факультативті гетеротроф, (3) ол жыныстық және жыныссыз жолмен көбейе алады, және (4) қазірдің өзінде көптеген генетикалық мәлімет бар. Хламидомонамен жасалған эволюциялық жұмыстардың кейбір мысалдары (толық емес) жыныстық көбеюдің эволюциясы, мутациялардың жарамдылыққа әсері және CO2-нің әртүрлі деңгейлеріне бейімделудің әсерін қамтиды. Бір жиі сілтеме жасалатын теориялық гипотезаға сәйкес, жыныстық көбею (жыныссыз көбеюге қарағанда) жақсы жағдайда бейімделіп сақталады, өйткені ол әртүрлі тектің зиянды мутацияларын біріктіре отырып, мутациялық жүктемені азайтады және орташа жарамдылықты арттырады. Дегенмен, C. reinhardtii-нің ұзақ мерзімді эксперименттік зерттеуінде осы гипотезаға қарсы дәлелдер алынды. Жыныстық популяцияларда мутацияларды жою байқалмады және жарамдылықтың артуы да анықталмады.
Chlamydomonas has been used to study different aspects of evolutionary biology and ecology. It is an organism of choice for many selection experiments because (1) it has a short generation time, (2) it is both an autotroph and a facultative heterotroph, (3) it can reproduce both sexually and asexually, and (4) there is a wealth of genetic information already available. Some examples (nonexhaustive) of evolutionary work done with Chlamydomonas include the evolution of sexual reproduction, the fitness effect of mutations, and the effect of adaptation to different levels of CO2. According to one frequently cited theoretical hypothesis, sexual reproduction (in contrast to asexual reproduction) is adaptively maintained in benign environments because it reduces mutational load by combining deleterious mutations from different lines of descent and increases mean fitness. However, in a long term experimental study of C. reinhardtii, evidence was obtained that contradicted this hypothesis. In sexual populations, mutation clearance was not found to occur and fitness was not found to increase.
Ұсыныс
C. reinhardtii екі жарақшасының көмегімен, адамның көкірекпен жүзуіне ұқсас қозғалыс жасайды. Бұл қарапайым қозғалысты секундына 50 рет қайталап, балдырлардың орташа жылдамдығы 70 мкм/с-қа жетеді; түрлі штаммдардың генетикалық әртүрлілігі осы көрсеткіштің кең ауқымда өзгеруіне себеп болады. Бірнеше секунд жүзгеннен кейін, екі жарақшаның үйлесімсіз қозғалысы бағыттың кездейсоқ өзгеруіне алып келеді, бұл "жүгіру және тоқтау" деп аталады.
C. reinhardtii swims thanks to its two flagella, in a movement analogous to human breaststroke. Repeating this elementary movement 50 times per second the algae have a mean velocity of 70 μm/s; the genetic diversity of the different strains results in a huge range of values for this quantity. After few seconds of run, an asynchronous beating of the two flagella leads to a random change of direction, a movement called "run and tumble".
ДНҚ түрлендіру әдістері
Гендік трансформация негізінен хлоропласта гомологты рекомбинация және ядрода гетерологты рекомбинация арқылы жүзеге асырылады. C. reinhardtii хлоропласт геномын микропрожективті бөлшектермен бомбалау немесе шыны бұршақтарды қоздыру арқылы түрлендіруге болады, бірақ соңғы әдіс әлдеқайда аз тиімді. Ядролық геном шыны бұршақтарды қоздыру және электропорациялау арқылы өзгертілген. Биолистік процедура хлоропласт геномына ДНК енгізудің ең тиімді жолы болып көрінеді. Бұл, басымен, хлоропласт клетка көлемінің жартысынан астамын алып, микропрожектив үшін үлкен нысана ұсынатынымен байланысты болуы мүмкін. Электропорация ДНК-ны ядролық геномға енгізудің ең тиімді тәсілі болып табылады, оның максималды трансформация жиілігі шыны бұршақтармен жұмыс істеуге қарағанда екі рет артық.
Gene transformation occurs mainly by homologous recombination in the chloroplast and heterologous recombination in the nucleus. The C. reinhardtii chloroplast genome can be transformed using microprojectile particle bombardment or glass bead agitation, however this last method is far less efficient. The nuclear genome has been transformed with both glass bead agitation and electroporation. The biolistic procedure appears to be the most efficient way of introducing DNA into the chloroplast genome. This is probably because the chloroplast occupies over half of the volume of the cell providing the microprojectile with a large target. Electroporation has been shown to be the most efficient way of introducing DNA into the nuclear genome with maximum transformation frequencies two orders of magnitude higher than obtained using glass bead method.
Биофармацевтикалық өнімдерді өндіру
Генетикалық инженериямен жасалған C. reinhardtii сүтқоректілердің сарысу амилоид ақуызын (дәйектеме қажет), адам антидене ақуызын (дәйектеме қажет), адам қан тамырларының эндотелиялық өсу факторын, емдік потенциалы бар адам папиллома вирусы 16 вакцинасын, малярияға қарсы потенциалды вакцинаны (жеуге болатын балдыр вакцинасы), және қатерлі ісіктерді емдеуге арналған күрделі, жасалған препаратты өндіру үшін қолданылды.
Genetically engineered C. reinhardtii has been used to produce a mammalian serum amyloid protein (needs citation), a human antibody protein (needs citation), human Vascular endothelial growth factor, a potential therapeutic Human Papillomavirus 16 vaccine, a potential malaria vaccine (an edible algae vaccine), and a complex designer drug that could be used to treat cancer.
Альтернативті ақуыз көзі
C. reinhardtii балдырларға негіделген жаңа тағамдық көз ретінде ұсынылған. Хлорелла мен спирулинамен салыстырғанда, C. reinhardtii-де альфа-линолен қышқылының мөлшері артық екені, ал ауыр металдардың мөлшері аз екені анықталды. Сонымен қатар, ол барлық қажетті аминқышқылдары мен шамамен бірдей ақуыз қортындысына ие. Triton Algae Innovations компаниясы C. reinhardtii-ден жасалған коммерциялық балама ақуыз өнімін әзірлеуде.
C. reinhardtii has been suggested as a new algae based nutritional source. Compared to Chlorella and Spirulina, C. reinhardtii was found to have more Alpha linolenic acid, and a lower quantity of heavy metals while also containing all the essential amino acids and similar protein content. Triton Algae Innovations was developing a commercial alternative protein product made from C reinhardtii.
Сутегін өндірудің таза көзі
1939 жылы неміс зерттеушісі Ханс Гафрон (1902–1979), сол кезде Чикаго университетінде жұмыс істеген, бір жасушалы жасыл балдырлардың сутегі метаболизмін ашты. *C. reinhardtii* және кейбір басқа жасыл балдырлар белгілі бір жағдайларда оттегі өндіруді тоқтатып, оның орнына сутегі өндіруге көше алады. Бұл реакция гидрогеназа ферменті арқылы жүзеге асады, ол тек оттегі жоқ болғанда ғана белсенді болады және қысқа мерзімді. Келесі 30 жыл ішінде Гафрон мен оның командасы балдырлардағы фотосинтез арқылы сутегі өндірісінің негізгі механизмдерін анықтады. Зерттеушілер сутегі өндірісін арттыру үшін бірнеше бағытты қарастыруда. Бірінші бағыт – гидрогеназаны фотосинтезден ажырату. Осылайша, оттегінің жиналуы сутегі өндірісін тоқтата алмайды. Егер гидрогеназа ферментінің құрылымын өзгертіп, бір қадам алға жылжуға қол жеткізсе, гидрогеназаны оттегіге сезімсіз етуге болады. Бұл сутегінің үздіксіз өндірісіне мүмкіндік береді. Мұндай жағдайда, осы өндіріс үшін қажетті электрондар қант өндірісінен емес, өзінің крахмал қорының ыдырауынан алынады. Екінші бағыт – гидрогеназаның генетикалық манипуляциясы арқылы фотосинтез процесін уақытша тоқтату. Бұл оттегінің сутегі өндірісін тоқтатуға жеткілікті деңгейге жетуіне кедерес жасайды. Үшінші бағыт, негізінен 1950 жылдарда зерттелді, – фотосинтездік әрекет нәтижесінде балдыр жасушалары өндіретін O2-ні химиялық немесе механикалық әдістермен жою. Бұл әдістерге O2-ні сіңіретін заттарды қосу, қосымша редукторларды пайдалану және культураларды инертті газдармен тазарту кіреді. Алайда, бұл әдістер кеңейтілмейді және қолданбалы жүйелерге қолдануға жарамсыз болуы мүмкін. Жаңа зерттеулер балдыр өсінділерінен оттегіні жою мәселесі бойынша пайда болды және кеңейту мәселелерін шешуге көмектеседі. Төртінші бағыт зерттелді, атап айтқанда, мыс тұздарын қолдану арқылы гидрогеназаның әрекетін оттегі өндірісінен ажырату. Бесінші бағыт бойынша, Кэлвин циклында CO2 бекітуден фотосинтез электрон ағынын гидрогеназаға қайта бағыттау ұсынылды, бұл анаэробты балдырларға қысқа жарық импульстарын беру немесе культурадан CO2-ні азайту арқылы жүзеге асырылады.
In 1939, the German researcher Hans Gaffron (1902–1979), who was at that time attached to the University of Chicago, discovered the hydrogen metabolism of unicellular green algae. C reinhardtii and some other green algae can, under specified circumstances, stop producing oxygen and convert instead to the production of hydrogen. This reaction by hydrogenase, an enzyme active only in the absence of oxygen, is short lived. Over the next thirty years, Gaffron and his team worked out the basic mechanics of this photosynthetic hydrogen production by algae. To increase the production of hydrogen, several tracks are being followed by the researchers. The first track is decoupling hydrogenase from photosynthesis. This way, oxygen accumulation can no longer inhibit the production of hydrogen. And, if one goes one step further by changing the structure of the enzyme hydrogenase, it becomes possible to render hydrogenase insensitive to oxygen. This makes a continuous production of hydrogen possible. In this case, the flux of electrons needed for this production no longer comes from the production of sugars but is drawn from the breakdown of its own stock of starch. A second track is to interrupt temporarily, through genetic manipulation of hydrogenase, the photosynthesis process. This inhibits oxygen's reaching a level where it is able to stop the production of hydrogen. The third track, mainly investigated by researchers in the 1950s, is chemical or mechanical methods of removal of O2 produced by the photosynthetic activity of the algal cells. These have included the addition of O2 scavengers, the use of added reductants, and purging the cultures with inert gases. However, these methods are not inherently scalable, and may not be applicable to applied systems. New research has appeared on the subject of removing oxygen from algae cultures, and may eliminate scaling problems. The fourth track has been investigated, namely using copper salts to decouple hydrogenase action from oxygen production. The fifth track has been suggested to reroute the photosynthetic electron flow from CO2 fixation in Calvin cycle to hydrogenase by applying short light pulses to anaerobic algae or by depleting the culture of CO2.