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.

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.