Кіріспе

Архея Halobacterium туысы (көбінесе Hbt деп қысқартылады) Halobacteriaceae тұқымдасына жататын туыс. Halobacterium ("тұз" немесе "океан бактериясы") туысы тұздың жоғары концентрациясы бар ортада тіршілік ететін, аэробты метаболизмге ие бірнеше архея түрлерін қамтиды; олардың көптеген ақуыздары төмен тұзды ортада жұмыс істемейді. Олар аэробты жағдайда аминқышқылдарымен өседі. Олардың жасуша қабырғалары бактериялардың қабырғаларынан едәуір өзгеше, себебі тұздың жоғары концентрациясында кәдімгі липопротеин мембраналары бұзылады. Пішіні таяқша тәрізді немесе кокк тәрізді болуы мүмкін, ал түсі қызыл немесе күлгін болуы мүмкін. Олар екіге бөліну арқылы (құсылу арқылы) көбейеді және жылдамдығы жоғары. Halobacterium 42 °C температурада ең жақсы өседі. Шиладития ДасСарма анықтаған Halobacterium түрінің геномы 2,571,010 жұп базалық ДНК-дан тұрады, ол үш дөңгелек тізбекке жинақталған: бір үлкен хромосома 2,014,239 жұп базалық, және екі кішкентай тізбек 191,346 және 365,425 жұп базалық. Бұл түр Halobacterium sp. NRC 1 деп аталады және постгеномдық талдау үшін кеңінен қолданылған. Halobacterium түрлері Ұлы тұзды көлде, Өлі теңізде, Магади көлінде және тұз концентрациясы жоғары басқа да суларда кездеседі. Күлгін Halobacterium түрлерінің түсі бактериородопсинге байланысты, ол жарыққа сезімтал белок, күн сәулесін пайдаланып жасушадан протондарды шығару арқылы жасушаға химиялық энергия береді. Жасуша мембранасында пайда болған протондық градиент энергия тасымалдаушы АТФ синтезін қозғау үшін қолданылады. Осылайша, бұл протондар кері ағып келгенде, АТФ синтезіне қатысады (бұл протон ағыны жасуша сыртындағы pH төмендеуімен имитациялануы мүмкін, бұл H+ иондарының ағынына әкеледі). Бактериородопсин белгілі бір дәрежеде омыртқалы жануарлардың торлы қабатында табылған жарыққа сезімтал пигмент родопсинге химиялық құрамы бойынша ұқсас.

Геном құрылымы

Halobacterium NRC 1 геномы 2,571,010 жұп базадан тұрады және үш дөңгелек репликонға біріктірілген. Нақтырақ айтқанда, ол 2,014,239 жұп базалық бір үлкен хромосомадан және екі кішкентай репликон – pNRC100 (191,346 жұп база) және pNRC200 (365,425 жұп база) плазмидаларынан тұрады. Екі плазмида үлкен хромосомадан әлдеқайда кішкентай болғанымен, 91 кіріктіру тізбегінің көп бөлігін қамтиды және ДНК полимеразасының гендерін, жеті транскрипция факторларын, калий мен фосфатты сіңіруге қатысты гендерді, сондай-ақ жасушаның бөлінуіне қатысты гендерді қамтиды. Геномда үлкен хромосомада 67,9%, ал екі плазмидада 57,9% және 59,2% G+C мазмұны жоғары екені анықталды. Геномда 12 отбасынан тұратын 91 кіріктіру тізбегі элементтері бар, оның ішінде pNRC100-де 29, pNRC200-де 40, ал үлкен хромосомада 22 тізбек кездеседі. Бұл Halobacterium-да байқалған генетикалық өзгеруге қабілеттілікті түсіндіруге көмектеседі. Археялардың ішінде галобактериялар ең көп көлденең генетикалық байланысқа (домендер арасындағы гендер алмасуына) қатысады және мұндай алмасу болатынын көрсететін дәлел болып табылады.

Жасуша құрылымы мен метаболизмі

Галобактериялардың түрлері таяқша тәрізді және жасуша бетіндегі гликопротеиннен құралған S қабатымен қоршалған, жалғыз липидтік екі қабатты мембранамен қапталған. Олар аэробты жағдайда аминқышқылдарында өседі. Halobacterium NRC 1 глюкозаны ыдыратуға қатысты гендермен, сондай-ақ май қышқылдарының тотығу жолы ферменттеріне қатысты гендермен ұстаса да, оларды энергия көзі ретінде пайдалана алмайтын сияқты. Цитоплазма гиперсалысты ортамен осмостық тепе-теңдікті сақтайтын болса да, жасуша көптеген белсенді тасымалдаушыларды пайдаланып жоғары калий концентрациясын ұстап тұрады. Көптеген Галобактерия түрлері газды қапшықтар деп аталатын ақуызды органеллаларға ие.

Экология

Галобактерияларды Ұлы тұзды көл, Өлі теңіз және Магади көлі сияқты өте тұзды көлдерде кездестіруге болады. Галобактерияны су қоймаларында жарық сезетін пигмент – бактериородопсин арқылы анықтауға болады, ол археонды химиялық энергиямен қамтамасыз етеді және оған қызғылт түс береді. Өсу үшін ең қолайлы температура 37 °C деп анықталған. Галобактерия Марста кездесетін тіршілік нысаны болуы мүмкін. Марста тіршілік етумен байланысты мәселелердің бірі – зиянды ультракүлгін сәуле. Бұл микроорганизмдер ультракүлгін сәуленің әсерін азайтатын тұздың жұқа қабығын қалыптастырады. Натрий хлориді – ең көп таралған тұз, ал хлорид тұздары қысқа толқынды ультракүлгін сәулеге өткізбейді. Олардың фотосинтез пигменті – бактериородопсин – ұзақ толқынды ультракүлгін сәулеге (өзінің қызыл түсіне) өткізбейді. Сонымен қатар, Галобактерия бактериоруберин деп аталатын пигменттер шығарады, олардың жасушаларды ультракүлгін сәулесінен зақымданудан қорғайтыны айтылады. Олардың шешуі керек мәселе – судың сұйық болуы мүмкін болған қысқа уақыт ішінде төмен температурада өсуге бейімделу.

Азық-түлік өнеркәсібі

Halobacterium түрлері тамақ өнеркәсібінде қолданылу мүмкіндігіне ие. Мысалы, бета-каротин өндірісін атауға болады – бұл галофильді бактерияларда кездесетін пигмент, оларға қызыл түс береді және тамақ өнеркәсібінде табиғи бояу ретінде қолданылады. Галофилдер липазалар, амилазалар, протеазалар және ксиланазалар сияқты ыдырату ферменттерін де өндіреді, олар түрлі тамақ өңдеу процестерінде пайдаланылады. Аталған ферменттердің маңызды қолданыстары – тұзды тағамдардың айналу процесін күшейту, нан қамырын жақсарту және кофе өндірісіне көмектесу.

Биологиялық оңалту

Галофилді бактериялардың көптеген түрлері биоремедиациялық агенттер ретінде өнеркәсіпте қолданылатын экзополисахаридтерді (ЭПС) өндіреді. Биосерфактанттар да көптеген галофильді бактериялармен бөліп шығарылады, ал бұл амфифильді қосылыстар топырақты қалпына келтіруге қолданылады. Көптеген галофилдер ауыр металдарға жоғары төзімді, бұл оларды тау-кен өндірісі мен металл қаптаудан қоршаған ортаға шығарылатын ксенобиотикалық қосылыстар мен ауыр металдарды биоремедиациялауда пайдалы етеді. Галофилдер ксенобиотиктерді аз зиянды қосылыстарға түрлендіру арқылы ластаушы заттарды биоремедиациялауға көмектеседі. Нокаут зерттеулерінде бактериоубериннің жоқтығы бактерияның ДНК-ны зақымдайтын тотығу агенттеріне сезімталдығын арттыратыны көрсетілді. Мысалы, сутек пероксиді бактериоуберинмен реакцияға түседі, бұл реактивті оттегі түрлерінің түзілуін болдырмайды, соның салдарынан ДНК-ны зақымдайтын агенттің тотықтыру қабілетін төмендетіп, бактерияны қорғайды. H. salinarum сонымен қатар жасуша ішінде калий хлоридінің жоғары концентрациясын қамтамасыз етеді, бұл сәулеленуге төзімділікті де арттырады. Галобактериялар олар өндіретін биоактивті қосылыстардың фармацевтикалық қолданылуына да зерттелді, оның ішінде қатерлі ісікке қарсы заттар, микробқа қарсы биосерфактанттар және микробқа қарсы метаболиттер. Бұдан әрі, Halobacterium NRC 1 вакциналарды жеткізу үшін потенциалды вектор ретінде де қолданылды. Атап айтқанда, олар белгілі бір эпитоптарды көрсету үшін генетикалық түрлендірілуі мүмкін газды көпіршіктерді шығарады. Газды көпіршіктер иммундық жауапты күшейтуге көмектесетін табиғи адъюванттар ретінде де жұмыс істей алады. Галобактериялардың жоғары тұзды ортаға қажеттілігіне байланысты, осы газды көпіршіктерді дайындау арзан әрі тиімді, оларды бөліп алу үшін тек тазартылған су ғана қажет. Галобактериялар сондай-ақ бактериородопсин деп аталатын ақуызды қамтиды, бұл жасуша мембранасында орналасқан және жарық энергиясымен жұмыс істейтін протондық сорғы. Галофилдердегі көптеген ақуыздарға дұрыс құрылым мен функция үшін тұздың жоғары концентрациясы қажет болса да, бұл ақуыз экстремалды ортадан тыс жерлерде де тұрақтылығын сақтай отырып, биотехнологиялық мақсаттарда қолдануға потенциалы бар. Halobacterium salinarum-нан бөліп алынған бактериородопсин электроника және оптикада қолдану үшін ерекше зерттелді. Атап айтқанда, бактериородопсин голографиялық сақтау, оптикалық коммутация, қозғалыс анықтау және нанотехнологияда қолданылды. Бұл ақуыздың көптеген қолданылу жолдары ұсынылғанмен, қазіргі уақытта кең ауқымды коммерциялық қолданылуы әлі құрылмаған.

Қайта үйлесу және жұптасу

Halobacterium sp. NRC 1 штаммының УФ сәулеленуі гомологтық рекомбинацияда қолданылатын бірнеше ген өнімдерін шақырады. Мысалы, рекомбинацияда маңызды рөл атқаратын rad51/recA генінің гомологы УФ сәулесінен 7 есеге артып көбейеді. Гомологтық рекомбинация тоқтап қалған репликациялық жіпшелерді қалпына келтіруге және/немесе ДНК зақымдануын рекомбинациялық жолмен жөндеуге көмектеседі. Halorubrum-ның табиғи популяцияларында генетикалық алмасу және рекомбинация жиі болады. Бұл алмасу жыныстық өзара әрекеттесудің алғашқы түрі болуы мүмкін, бұл бактериялық трансформацияға ұқсас, ол да ДНК-ны бір клеткадан екінші клеткаға беру процесі болып табылады және ДНК зақымдануын гомологтық рекомбинациялық жолмен жөндеуге әкеледі.

Ғылыми журналдар

DasSarma, S., B. R. Berquist, J. A. Coker, П. DasSarma, J. A. Müller. 2006. Halobacterium sp. NRC 1 үлгісінің геномдық зерттеулерінен кейінгі кезеңі. Тұзды жүйелер 2:3.

Ғылыми кітаптар

ДасСарма, С. 2004 ж. Өте тұзға төзімді археяның геномдық тізбегі, Microbial Genomes, 383–399 бб., C. M. Fraser, T. Read және K. E. Nelson (ред.), Humana Press, Inc., Totowa, NJ. Линн Маргулис, Карлин В. Шварц, Бес патшалық. Жер бетіндегі тіршілік филаларының суреттелген анықтамалығы (W. H. Freeman, Сан-Франциско, 1982), 36–37 бб.