Введение

Род архей Halobacterium (общепринятая аббревиатура Hbt.) — это род из семейства Halobacteriaceae. Род Halobacterium («солёный» или «океаническая бактерия») состоит из нескольких видов архей с аэробным метаболизмом, требующим среды с высокой концентрацией соли; многие их белки не функционируют в условиях низкой солёности. Они растут на аминокислотах в аэробных условиях. Их клеточные стенки значительно отличаются от клеточных стенок бактерий, поскольку обычные липопротеиновые мембраны не функционируют при высокой концентрации соли. По форме они могут быть палочковидными или кокковидными, а по цвету — красными или пурпурными. Они размножаются бинарным делением (путем перетяжки) и подвижны. Halobacterium лучше всего растёт при температуре 42 °C. Геном неопределённого вида Halobacterium, секвенированный Шиладитьей ДасСармой, содержит 2 571 010 пар оснований (п.о.) ДНК, организованных в три кольцевые нити: одну большую хромосому размером 2 014 239 п.о. и две меньшие — 191 346 и 365 425 п.о. Этот вид, обозначенный как Halobacterium sp. NRC 1, широко используется для постгеномного анализа. Виды Halobacterium можно встретить в Большом Солёном озере, Мёртвом море, озере Магади и других водоёмах с высокой солёностью. Пурпурные виды Halobacterium обязаны своим цветом бактериородопсину — светочувствительному белку, который обеспечивает клетку химической энергией, используя солнечный свет для перекачивания протонов из клетки. Образующийся протонный градиент через клеточную мембрану используется для стимуляции синтеза АТФ, основного переносчика энергии. Таким образом, при обратном потоке этих протонов они участвуют в синтезе АТФ (этот поток протонов можно имитировать снижением pH вне клетки, вызывая приток ионов H+). Белок бактериородопсин химически очень похож на светочувствительный пигмент родопсин, обнаруженный в сетчатке позвоночных.

Структура генома

Геном Halobacterium NRC 1 состоит из 2 571 010 пар оснований, организованных в три кольцевых репликона. В частности, он разделен на одну большую хромосому размером 2 014 239 п.н. и два небольших репликона pNRC100 (191 346 п.н.) и pNRC200 (365 425 п.н.). Несмотря на то, что эти репликоны значительно меньше большой хромосомы, две плазмиды содержат большинство из 91 вставочной последовательности и включают гены для ДНК-полимеразы, семь транскрипционных факторов, гены, участвующие в транспорте калия и фосфата, и гены деления клеток. Геном характеризуется высоким содержанием G+C – 67,9% в большой хромосоме и 57,9% и 59,2% в двух плазмидах. Геном также содержит 91 элемент вставочных последовательностей, относящихся к 12 семействам, включая 29 на pNRC100, 40 на pNRC200 и 22 на большой хромосоме. Это помогает объяснить наблюдаемую генетическую пластичность Halobacterium. Среди архей галобактерии считаются наиболее активно участвующими в горизонтальном переносе генов (междоменной передаче генов) и служат доказательством возможности такого переноса.

Структура клеток и метаболизм

Виды галобактерий имеют форму палочки и окружены единственной липидной бислойной мембраной, окруженной S-слоем, состоящим из гликопротеина клеточной поверхности. Они растут на аминокислотах в аэробных условиях. Хотя Halobacterium NRC 1 содержит гены, кодирующие расщепление глюкозы, а также гены ферментов пути окисления жирных кислот, он, по-видимому, не способен использовать их в качестве источников энергии. Несмотря на то, что цитоплазма поддерживает осмотическое равновесие с гиперсоленой средой, клетка поддерживает высокую концентрацию калия, используя множество активных транспортеров. Многие виды Halobacterium обладают белковыми органеллами, называемыми газовыми везикулами.

Экология

Галобактерии можно обнаружить в сильносоленых озерах, таких как Великое Соленое озеро, Мертвое море и озеро Магади. Галобактерии можно идентифицировать в водоемах по светочувствительному пигменту бактериородопсину, который не только обеспечивает архею химической энергией, но и придает ей красноватый оттенок. Оптимальная температура для роста наблюдается при 37 °C. Галобактерии могут быть кандидатами на существование жизни на Марсе. Одной из проблем, связанных с выживанием на Марсе, является губительное ультрафиолетовое излучение. Эти микроорганизмы формируют тонкую соляную корку, которая способна ослаблять часть ультрафиолетового света. Хлорид натрия – наиболее распространенная соль, а хлоридные соли непрозрачны для коротковолнового ультрафиолета. Их фотосинтетический пигмент, бактериородопсин, фактически непрозрачен для ультрафиолета с большей длиной волны (что и обуславливает его красный цвет). Кроме того, галобактерии производят пигменты, называемые бактериорубинами, которые предположительно защищают клетки от повреждений, вызванных ультрафиолетовым излучением. Препятствием, которое им необходимо преодолеть, является способность расти при низкой температуре в течение, вероятно, короткого периода времени, когда водоем может находиться в жидком состоянии.

Продовольственная промышленность

Существует потенциал для использования видов Halobacterium в пищевой промышленности. Примерами применения может служить производство бета-каротина – пигмента, содержащегося в галофильных бактериях и придающего им красный цвет, который используется в пищевой промышленности как натуральный пищевой краситель. Галофилы также производят деградирующие ферменты, такие как липазы, амилазы, протеазы и ксиланазы, применяемые в различных процессах переработки пищевых продуктов. Важные области применения этих ферментов включают интенсификацию процесса ферментации соленых продуктов, улучшение качества теста при выпечке хлеба и участие в производстве кофе.

Биоремедиация

Многие виды галофильных бактерий производят экзополисахариды (ЭПС), которые используются в промышленности в качестве биоремедиационных агентов. Биосурфактанты также выделяются многими галофильными бактериями, и эти амфифильные соединения применяются для восстановления почв. Многие галофилы обладают высокой устойчивостью к тяжелым металлам, что делает их потенциально полезными для биоремедиации ксенобиотических соединений и тяжелых металлов, попадающих в окружающую среду в результате горнодобывающей промышленности и металлопокрытий. Галофилы способствуют биоремедиации загрязнителей, преобразуя ксенобиотики в менее токсичные соединения. Исследования на нокаутных моделях показали, что отсутствие бактериоуберина повышает чувствительность бактерий к окислителям, повреждающим ДНК. Например, перекись водорода реагирует с бактериоруберином, предотвращая образование реактивных форм кислорода и, таким образом, защищая бактерию, снижая окислительную способность агента, повреждающего ДНК. *H. salinarum* также характеризуется высокими внутриклеточными концентрациями хлорида калия, который также обеспечивает устойчивость к радиации. Галобактерии изучаются для фармацевтического применения биоактивных соединений, которые они производят, включая противораковые агенты, антимикробные биосурфактанты и антимикробные метаболиты. Кроме того, *Halobacterium NRC 1* использовался в качестве потенциального вектора для доставки вакцин. В частности, они производят газовые везикулы, которые могут быть генетически модифицированы для экспрессии специфических эпитопов. Кроме того, газовые везикулы способны функционировать как естественные адъюванты, усиливая иммунный ответ. Благодаря требованию галобактерий к высокой солености среды, получение этих газовых везикул является недорогим и эффективным, требуя для их выделения только водопроводной воды. Галобактерии также содержат белок бактериородопсин, светочувствительный протонный насос, расположенный на клеточной мембране. Хотя большинству белков галофилов для правильной структуры и функционирования необходимы высокие концентрации соли, этот белок показал потенциал для использования в биотехнологии благодаря своей стабильности даже вне экстремальных условий. Бактериородопсин, выделенный из *Halobacterium salinarum*, особенно интенсивно изучался для применения в электронике и оптике. В частности, бактериородопсин используется в голографической памяти, оптическом переключении, детекции движения и нанотехнологиях. Несмотря на множество представленных применений этого белка, на данный момент не создано широкомасштабных коммерческих продуктов на его основе.

Рекомбинация и спаривание

Ультрафиолетовое облучение Halobacterium sp. штамма NRC 1 индуцирует несколько генных продуктов, задействованных в гомологичной рекомбинации. Например, гомолог гена rad51/recA, играющего ключевую роль в рекомбинации, индуцируется УФ-излучением в 7 раз. Гомологичная рекомбинация может восстанавливать остановленные репликативные вилки и/или способствовать рекомбинационному восстановлению повреждений ДНК. В природных популяциях Halorubrum генетический обмен и рекомбинация происходят часто. Этот обмен может представлять собой примитивную форму полового процесса, аналогичную более изученной бактериальной трансформации, которая также является механизмом передачи ДНК между клетками, приводящим к гомологичному рекомбинационному восстановлению повреждений ДНК.

Научные журналы

DasSarma, S., B. R. Berquist, J. A. Coker, P. DasSarma, J. A. Müller. 2006. Постгеномика модельного галоархеона Halobacterium sp. NRC 1. Saline Systems 2(3).

Научные книги

DasSarma, S. 2004 год. Последовательность генома чрезвычайно галофильного архея, в Microbial Genomes, с. 383–399, C. M. Fraser, T. Read и K. E. Nelson (ред.), Humana Press, Inc., Totowa, NJ. Линн Маргулис, Карлин В. Шварц, "Пять царств". Иллюстрированный справочник по типам жизни на Земле (W. H. Freeman, Сан-Франциско, 1982) с. 36–37.