Thermus aquaticus Eigenschaften, Lebenszyklus, Anwendungen

Thermus aquaticus ist ein thermophiles Bakterium, das 1967 von Thomas Brock im Phylum Deinococcus-Thermus entdeckt wurde. Es ist ein gram-negativer Mikroorganismus, heterotrophe und aerobe, die als intrinsische Eigenschaft thermische Stabilität aufweist.

Es wird aus einer Vielzahl von Wärmequellen zwischen 50 ° C und 80 ° C und einem pH-Wert von 6,0 bis 10,5 im Yellowstone National Park und in Nordamerika gewonnen. Es wurde auch aus künstlichen thermischen Lebensräumen isoliert.

Es ist eine Quelle von hitzebeständigen Enzymen, die die verschiedenen Denaturierungszyklen überleben. In diesem Zusammenhang sind Proteine ​​und Enzyme für die biotechnologische Industrie von besonderem Interesse.

So werden die Enzyme, aus denen sie besteht, in der Gentechnik, in der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) und als Werkzeug für wissenschaftliche und forensische Forschung eingesetzt (Williams und Sharp, 1995).

Index

• 1 Phylogenie und Taxonomie
• 2 Morphologie
• 3 Lebenszyklus
• 4 Zellstruktur und Metabolismus
• 5 Anwendungen
  • 5.1 Fragmente amplifizieren
  • 5.2 Biochemische Reaktionen katalysieren
  • 5.3 Lebensmittelbiotechnologie
  • 5.4 Abbau von polychlorierten Biphenylverbindungen
• 6 Referenzen

Phylogenie und Taxonomie

Dieser Mikroorganismus ist unter dem klassischen Ansatz gerahmt:

• Königreich: Bakterien
• Phylum: Deinococcus-Thermus
• Klasse: Deinokokken
• Bestellung: Thermales
• Familie: Thermaceae
• Genre: Thermus
• Art: Thermus aquaticus.

Morphologie

Thermus aquaticus kommt in Form von Filamenten mit einer Länge von 5 μm bis 10 μm vor. Das längste Filament wurde mit einer Größe von mehr als 200 Mikron gefunden (Brock und Freeze, 1969).

Die Tendenz ist zu gruppieren und sphärische Assoziationen von Individuen zu bilden.

Lebenszyklus

Im Allgemeinen vermehren sich Bakterien, einschließlich T. aquaticus, asexuell durch Zellteilung. Das einzige DNA-Chromosom beginnt sich zu replizieren; Es repliziert sich, um die gesamte genetische Information von Tochterzellen aufgrund des Vorhandenseins des Enzyms DNA-Polymerase erben zu können. Nach 20 Minuten ist das neue Chromosom vollständig und an einer Stelle in der Zelle fixiert.

Die Teilung geht weiter und nach 25 Minuten haben sich die beiden Chromosomen verdoppelt. Eine Teilung erscheint in der Mitte der Zelle und nach 38 min. die Tochterzellen zeigen die durch eine Wand getrennte Teilung, die die asexuelle Teilung nach 45-50 Minuten beendet. (Dreifus, 2012).

Zellstruktur und Metabolismus

Da es sich um ein gramnegatives Bakterium handelt, hat es eine äußere Membran (Lipoproteinschicht) und Periplasma (wässrige Membran), in der sich Peptidoglycan befindet. Keine Zilien oder Geißeln werden beobachtet.

Die Zusammensetzung der Lipide dieser thermophilen Organismen muss sich an die Temperaturschwankungen des Kontexts, in dem sie sich entwickeln, anpassen, um die Funktionalität der zellulären Prozesse aufrechtzuerhalten, ohne die chemische Stabilität zu verlieren, die notwendig ist, um eine Auflösung bei hohen Temperaturen zu vermeiden (Ray et al. 1971).

Auf der anderen Seite ist T. aquaticus zu einer wahren Quelle für thermostabile Enzyme geworden. Taq-DNA-Polymerase ist ein Enzym, das die Lyse eines Substrats unter Bildung einer Doppelbindung katalysiert. Es ist also mit Enzymen vom Lyase-Typ verwandt (Enzyme, die die Freisetzung der Bindungen katalysieren).

Da es von einem thermophilen Bakterium stammt, widersteht es längeren Inkubationen bei hohen Temperaturen (Lamble, 2009).

Es sollte beachtet werden, dass jeder Organismus DNA-Polymerase für seine Replikation hat, aber aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung nicht hohen Temperaturen widersteht. Deshalb ist Taq-DNA-Polymerase das Hauptenzym, das verwendet wird, um Sequenzen des menschlichen Genoms sowie die Genome anderer Spezies zu amplifizieren.

Anwendungen

Fragmente verstärken

Die thermische Stabilität des Enzyms ermöglicht die Verwendung in Techniken zur Amplifikation von DNA-Fragmenten durch in vitro-Replikation, wie PCR (Polymerase-Kettenreaktion) (Mas und Colbs, 2001).

Dazu werden Anfangs- und Endprimer (kurze Nukleotidsequenz, die einen Startpunkt für die DNA-Synthese darstellt), DNA-Polymerase, Desoxyribonukleotidtriphosphat, Puffer und Kationen benötigt.

Das Reaktionsgefäß mit allen Elementen wird in einem Thermocycler zwischen 94 und 98 Grad Celsius platziert, um die DNA in einfache Ketten zu teilen.

Starten Sie die Leistung der Primer und Wiedererwärmung erfolgt erneut zwischen 75-80 Grad Celsius. Starten Sie die Synthese vom 5'-Ende bis zum 3'-Ende der DNA.

Hier ist die Bedeutung der Verwendung des thermostabilen Enzyms. Wenn irgendeine andere Polymerase verwendet würde, würde sie während der extremen Temperaturen, die zur Durchführung des Verfahrens notwendig sind, zerstört werden.

Kary Mullis und andere Forscher der Cetus Corporation entdeckten den Ausschluss der Notwendigkeit, nach jedem Zyklus der thermischen Denaturierung der DNA ein Enzym hinzuzufügen. Das Enzym wurde geklont, modifiziert und in großen Mengen für den kommerziellen Verkauf hergestellt.

Biochemische Reaktionen katalysieren

Die Untersuchungen thermostabiler Enzyme haben zur Anwendung in einer Vielzahl von industriellen Prozessen geführt und sind zu einem Durchbruch in der Molekularbiologie geworden.Aus biotechnologischer Sicht sind ihre Enzyme in der Lage, biochemische Reaktionen unter extremen Temperaturbedingungen zu katalysieren.

Zum Beispiel wurde Forschung entwickelt, um ein Verfahren zu entwickeln, um Hühnerfederabfälle ohne die Verwendung potentiell infektiöser Mikroorganismen zu handhaben.

Wir untersuchten den biologischen Abbau der Hühnerfeder, der durch die Produktion von keratinolytischer Protease vermittelt wird, was die Verwendung von thermophilen, nicht pathogenen T. aquaticus beinhaltet (Bhagat, 2012).

Lebensmittel-Biotechnologie

Die Hydrolyse von Gluten durch die thermoaktive Serinpeptidase Aqualysin1 von T. aquaticus beginnt oberhalb von 80 ° C bei der Herstellung von Brot.

Damit wird der relative Beitrag des thermostabilen Glutens zur Textur der Brotkrume untersucht (Verbauwhede und Colb, 2017).

Abbau von polychlorierten Biphenylverbindungen

Hinsichtlich des Nutzens im industriellen Bereich werden die Enzyme von Thermus aquaticus als thermophile Bakterien beim Abbau von polychlorierten Biphenylen (PCB) eingesetzt.

Diese Verbindungen werden als Kältemittel in elektrischen Geräten verwendet. Die Toxizität ist sehr groß und der Abbau ist sehr langsam (Ruiz, 2005).

Referenzen

1. Annelien E. Verbauwhede, Marlies. Lambrecht, Ellen Fierens, Sennes Hermans, Oksana Shegay, Kristof Brijs, Jan A. Delcour. Thermoreversible Hemmung macht Aqualisin 1 von Thermus aquaticus zu einem leistungsfähigen Werkzeug, um den Beitrag des Weizengluten-Netzwerks zur Krumentextur von frischem Brot zu untersuchen. Food Volume 264, 30. Oktober 2017, 118-125. Verfügbar unter: sciencedirect.com.
2. Bhagat A, Smita Lele. Abbau von Hühnerfedern mit Thermus aquaticus YT-1 und Anwendung von keratinolytischer Protease. Zeitschrift für Agrarwissenschaft und -technologie, 2012Vol. 1 Num 1. Von: sciencejournals.stmjournals.in.
3. Brock, TD., Einfrieren H. Thermus aquaticus gen. n. und sp. n., um extreme Thermophile zu spalten. 1969. J Bacteriol. Band 98 (1). 289-297.
4. Dreifus Cortes, George. Die Welt der Mikroben. Editorial Fund der Wirtschaftskultur. Mexiko 2012
5. Ferreras P. Eloy R. Expression und Untersuchung von thermostabilen Enzymen von biotechnologischem Interesse Autonome Universität Madrid. DOKTORALISCHE THESE Madrid. 2011. Verfügbar unter: repositorio.uam.es.
6. Lamble Sarah. Gerichtete Evolution der DNA-Polymerase von Thermus aquaticus durch kompartimentierte Selbstreplikation. Universität von Bath. Doktorarbeit 2009. Verfügbar unter: purenhost.bath.ac.uk.
7. Mas E, Poza J, Ciriza J, Zaragoza P, Osta R und Rodellar C. Basis der Polymerase-Kettenreaktion (PCR). AquaTIC Nr. 15, November 2001.
8. Ray P. H, Weißer DC, Brock, TD. Einfluss der Temperatur auf die Fettsäurezusammensetzung von Thermus aquaticus. Journal of Bacteriology1971; 106 (1): 25-30. Verfügbar unter: ncbi.nlm.nih.gov.
9. Ruiz-Aguilar, Graciela M. L., Biologischer Abbau von polychlorierten Biphenylen (PCBs) durch Mikroorganismen ... Universitätsgesetz [online] 2005, 15 (Mai-August). Verfügbar unter redalyc.org.
10. Sharp R, William R. Thermus-Art. Biotechnologische Handbücher. Springer Science Geschäftsmittel, LLC. 1995