2023 Szerző: Sophia Otis | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-05-21 01:49
Megszekvenálták egy másik mikroorganizmus genomját, amely szélsőséges körülmények között él. A Max Planck Biokémiai Intézet Membránbiokémiai Tanszékének tudósai elemezték a Natronomonas pharaonis genomját, és feltárták azokat a túlélési stratégiákat, amelyekkel az archeon a legjobban boldogulhat halálos környezeti feltételek mellett. A Genome Research nemzetközi folyóirat legújabb számában Dieter Oesterhelt professzor és kollégái bemutatják kutatásaikat (Genome Research, 2005. október).
Az archaeák, a kis egysejtű szervezetek különösen érdekesek a tudósok számára, mivel képesek szélsőséges környezeti feltételek mellett is élni, például magas sókoncentráció, magas pH-érték vagy magas hőmérséklet mellett. A természet alkalmazkodásának mesterei olyan modellszervezetek, amelyekből a kutatók következtetéseket vonhatnak le a Föld első élőlényeiről. A tudósok olyan mechanizmusokat tanulmányoztak, amelyek lehetővé teszik az egysejtű szervezetek túlélését, amelyek rúd alakúak és mindössze ötszázad milliméter méretűek. A Dieter Oesterhelt professzor által vezetett Membrán Biokémiai Tanszéken Max Planck kutatók genomikai és proteomikai módszerekkel, fiziológiai kísérletekkel kombinálva megmutatták, hogyan lehet megmagyarázni ezeknek az extrém organizmusoknak a csodálatos képességeit.
FriedhelmPfeiffer, a kutatócsoport bioinformatikai szakértője adatbázist hozott létre a halofil (görög "sószeretők") archaea számára, HaloLex néven (lásd az alábbi linket). Az adatbázis segítségével az élőlényekre vonatkozó genetikai és fehérjeadatok a szerkezetükre és működésükre vonatkozó információkhoz kötődnek. A HaloLex legújabb genomja a Natronomonaspharaonisé, amelynek genetikai információit MichaelaFalb, Friedhelm Pfeiffer, Peter Palm, Karin Rodewald, Volker Hickmann, Jörg Tittor és Dieter Oesterhelt tette elérhetővé. Ez az információ körülbelül 2,6 millió bázispárból áll (az emberi genom körülbelül egy ezreléke), és 2843 fehérje szintézisét kódolja.
Natronomonas pharaonishas két különböző típusú életveszélyes állapot kezelésére. Erősen lúgos (kb. 11 pH-jú) medencékben találták meg, rendkívül magas sókoncentrációval (több mint 300 gramm só perliter víz). A magas pH-értékek nagyjából megegyeznek a lúgos szappanéval és a sótartalma a Holt-tengerével. Ami a sótartalmat illeti, a Natronomonas pharaonis szorosan rokon élőlényekként viselkedik – például a Halobacterium salinarum, Dieter Oesterhelt osztályának „házi kedvence”. Más sótűrő organizmusokkal ellentétben a halofil archaeák sejtjeiben rendkívül magas sókoncentráció található. A sókoncentráció ezen szintjei általában nem tudják támogatni a fehérjéket, az élősejtek kritikus funkcionális összetevőit. De a halofil archaea proteomáiban található aminosav építőelemek nagyobb része lehetővé teszi, hogy a fehérjék stabilak maradjanak még magas sókoncentráció esetén is. Ahhoz, hogy túlélje a rendkívül magas pH-értékeket, a Natronomonas pharaonis sejtjein belül mérsékelten megnövekedett pH-értékkel rendelkezik.
A körülöttük lévő sóoldattal közvetlenül érintkező sejtkomponenseknek saját adaptációs stratégiájukra van szükségük. Ezek a komponensek a sejtmembrán és a fehérjék, amelyeknek a sejten kívül kell működniük. Michaela Falb doktori tézise részeként elméleti elemzést használva felfedezte, hogy a Natronomonas pharaonisban különösen sok fehérje van lipidmolekulákhoz kötve, és rögzíti a sejtmembránhoz.
Az energia-anyagcsere fontos funkciói – például a légzési lánc – beágyazódnak a sejtmembránba, és alkalmazkodniuk kell a kedvezőtlen külső körülményekhez. A genom részletes bioinformatikai elemzése ellenére továbbra sem volt világos, hogy a Natronomonas pharaonisnak van-e légzőlánca, és mely ionok játszanak szerepet a működésében. Michaela Falb bioinformatikai szakértő és Jörg Tittor biokémikus további kísérleti tanulmányokat tervezett, amelyek kimutatták, hogy a Natronomonas pharaonisnak valóban van egy működő légzési lánca, amely elképesztő módon, és ellentétben más, lúgos körülmények között termesztő organizmusokkal, "normál" protonnal működik. A Max Planck-kutatók ezzel megcáfolhatták az eddig domináns paradigmát, miszerint a lúgos körülmények között élő szervezeteknek más ionokra kell váltaniuk (például nátrium, Na+).
A magasabb pH-érték az ammónium kimerüléséhez vezet. Mivel az ammónium-nitrát az aminosavak kulcsfontosságú építőköve, a parányi szervezetnek problémái lehetnek a szintézisével. Michaela Falb számos módot fedezett fel a genomban, hogy a Natronomonas pharaonis optimálisan kihasználja a nitrogén alacsony előfordulását: a nitrát és a karbamid felvétele és metabolizmusa, valamint az ammónia hatékony felvétele révén.
Az elméleti és kísérleti irányultságú kutatók együttműködése további kérdésekre világított rá. A bioinformatikusok meg tudták jósolni, hogy a Natronomonas pharaonis önmagában is képes vitaminokat és aminosavakat termelni. Így az egysejtű élőlények tenyésztéséhez szükséges táptalaj jelentősen leegyszerűsödhet.
Dieter Oesterhelt kifejti, hogy "az általunk vizsgált más halofil archeákkal való összehasonlítás azt mutatja, hogy ezeknek az organizmusoknak nagy plaszticitásuk van, amellyel alkalmazkodni tudnak a változó, szélsőséges környezeti feltételekhez. A Natronomonas pharaonis takarékossága, a tápoldat egyszerűsítésének lehetőségével, új lehetőségeket nyit a metabolikus hálózat kísérleti vizsgálatára. Az így megszerzett adatok fontos alapot jelentenek a metabolikus modellek kidolgozásához és teszteléséhez a szisztémás biológiai vizsgálatok keretében, valamint a matematikusokkal folytatott interdiszciplináris együttműködésben."
