Введение
Вид бактерии Thermus aquaticus – это вид бактерий, способный выдерживать высокие температуры, одна из многих термофильных бактерий, относящихся к типу Deinococcota. Он является источником термостабильного фермента Taq ДНК-полимеразы, одного из важнейших ферментов в молекулярной биологии благодаря его применению в методе полимеразной цепной реакции (ПЦР) для амплификации ДНК.
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.
История
Когда в 1960-х годах начались исследования биологических организмов в горячих источниках, ученые полагали, что жизнь термофильных бактерий не может поддерживаться при температуре выше 55 °C (131 °F). Однако вскоре было обнаружено, что многие бактерии в различных источниках не только выживают, но и процветают при более высоких температурах. В 1969 году Томас Д. Брок и Хадсон Фриз из Университета Индианы сообщили об открытии нового вида термофильных бактерий, который они назвали Thermus aquaticus. Бактерия была впервые выделена из источника «Грибной родник» в бассейне Нижнего гейзера Йеллоустонского национального парка, расположенного недалеко от крупных гейзеров Большой фонтан и Белый купол, и впоследствии была обнаружена в аналогичных термальных средах обитания по всему миру. Десятилетия спустя это открытие имело глубокие последствия, включая изобретение полимеразной цепной реакции (ПЦР) биохимиком Кэри Муллисом, которое произвело революцию в исследованиях ДНК и принесло Муллису Нобелевскую премию по химии в 1993 году. ПЦР способствовала прогрессу в медицинской диагностике, генетике и других областях. После открытия ПЦР Кэри Муллисом, компания Cetus выплатила ему вознаграждение в размере 10 000 долларов. Однако позже Cetus продала патент на ПЦР компании F. Hoffmann-La Roche (Roche) за 300 миллионов долларов. Эта сделка заставила Муллиса чувствовать себя обманутым на протяжении всей его жизни. С тех пор Roche получает огромную прибыль от патента на ПЦР, при этом ежегодные продажи, связанные с ПЦР, достигли 5,4 миллиарда долларов в 2022 году. Несмотря на эти доходы, ни Служба национальных парков, ни Йеллоустонский национальный парк, ни штат Вайоминг не получили никакой доли от этих доходов. Осознавая научный и финансовый потенциал экстремофилов Йеллоустона, биотехнологические компании, такие как Diversa, заключили соглашения со Службой национальных парков о проведении биопроспекции. Это привело к дальнейшим научным исследованиям и потенциальным коммерческим применениям, несмотря на некоторые опасения по поводу воздействия на окружающую среду. В целом, первоначальное открытие Брока в горячих источниках Йеллоустона проложило путь к значительным научным прорывам, продемонстрировав важность фундаментальных исследований для стимулирования инноваций и технологического прогресса.
Биология
T. aquaticus демонстрирует наилучший рост при 65–70 °C, но может выживать при температурах от 50 до 80 °C. Он преимущественно извлекает белок из окружающей среды, что подтверждается большим количеством внеклеточных и внутриклеточных протеаз и пептидаз, а также транспортными белками для аминокислот и олигопептидов через клеточную мембрану. Эта бактерия является хемотрофом – она осуществляет хемосинтез для получения питательных веществ. Однако, поскольку температурный диапазон частично совпадает с таковым у фотосинтезирующих цианобактерий, обитающих в той же среде, она иногда встречается в симбиозе с ними, получая энергию для роста от их фотосинтеза. T. aquaticus обычно дышит аэробно, но один из его штаммов, Thermus aquaticus Y51MC23, способен расти в анаэробных условиях. Генетический материал T. aquaticus состоит из одной хромосомы и четырех плазмид, а полное секвенирование генома выявило гены CRISPR во множестве локусов.
Морфология
Thermus aquaticus обычно имеет цилиндрическую форму с диаметром от 0,5 мкм до 0,8 мкм. Более короткая палочковидная форма имеет длину от 5 мкм до 10 мкм. Более длинная нитевидная форма может достигать значительной длины, в некоторых случаях превышая 200 мкм. T. aquaticus проявляет различные морфологии в разных культурах, в виде палочек или коротких нитей. Палочковидные бактерии имеют тенденцию к агрегации. Объединение нескольких клеток может приводить к образованию сферических тел диаметром от 10 мкм до 20 мкм, также называемых округлыми телами. Эти тела, вопреки прежним представлениям, не состоят из компонентов клеточной оболочки или внешней мембраны, а формируются из реорганизованной пептидогликановой клеточной стенки. Их точная роль в выживании T. aquaticus остается неизвестной, но предполагается, что они могут служить для временного хранения питательных веществ и нуклеотидов, либо участвовать в прикреплении и организации колоний.
РНК-полимераза
Первым полимеразным ферментом, выделенным из T. aquaticus в 1974 году, была ДНК-зависимая РНК-полимераза, применяемая в процессе транскрипции.
Рестрикционный фермент Taq I
Большинство молекулярных биологов, вероятно, узнали о T. aquaticus в конце 1970-х – начале 1980-х годов благодаря выделению из этого организма полезных рестрикционных эндонуклеаз. Использование термина Taq для обозначения Thermus aquaticus возникло в это время в связи с принятой практикой давать ферментам рестрикции короткие названия, такие как Sal и Hin, образованные от рода и вида организмов-источников.
ДНК-полимераза ("Taq pol")
ДНК-полимераза была впервые выделена из *T. aquaticus* в 1976 году. Первым преимуществом, обнаруженным для этой термостабильной (оптимальная температура 72°C, не денатурируется даже при 95°C) ДНК-полимеразы, стало то, что её можно было выделить в более чистой форме (свободной от других ферментных примесей), чем ДНК-полимеразу из других источников. Позже Кэри Муллис и другие исследователи из Cetus Corporation обнаружили, что этот фермент можно использовать в процессе полимеразной цепной реакции (ПЦР) для амплификации коротких фрагментов ДНК, что позволило избежать необходимости добавления ферментов ДНК-полимеразы *E. coli* после каждого цикла термической денатурации ДНК. Фермент также был клонирован, секвенирован, модифицирован (для получения более короткого "фрагмента Стоффеля") и произведен в больших количествах для коммерческой реализации. В 1989 году журнал *Science* назвал полимеразу Taq первой "молекулой года". В 1993 году Муллис был удостоен Нобелевской премии по химии за его работу с ПЦР.
Другие ферменты
Высокая оптимальная температура для T. aquaticus позволяет исследователям изучать реакции в условиях, при которых другие ферменты теряют свою активность. Среди других ферментов, выделенных из этого организма, – ДНК-лигаза, щелочная фосфатаза, NADH-оксидаза, изоцитратдегидрогеназа, амиломальтаза и L-лактатдегидрогеназа, зависимая от фруктозо-1,6-дифосфата.
Противоречия
Коммерческое использование ферментов из T. aquaticus не обошлось без споров. После исследований Брока образцы организма были депонированы в Американской коллекции типовых культур, являющейся общедоступным хранилищем. Другие ученые, в том числе в компании Cetus, получили его оттуда. Когда в 1990-х годах стал очевиден коммерческий потенциал полимеразы Taq, Служба национальных парков окрестила это использование как "Большое ограбление Taq". Исследователи, работающие в национальных парках, теперь обязаны подписывать соглашения о "совместном использовании выгод", предусматривающие перечисление части будущей прибыли обратно в Службу национальных парков.