Deinococcus radiodurans — бактерията с изключителна устойчивост на радиация

Deinococcus radiodurans най-устойчивата бактерия на радиация, открийте механизми за поправка на ДНК, изключителна толерантност и приложения на рекомбинантен Mn-SOD

Deinococcus radiodurans е грам-положителна, неподвижна, червенопигментирана бактерия, често подредена в тетради. Първоначално тя е идентифицирана като замърсител на облъчени месни консерви през 1956 г. Името й идва от гръцки и латински корени: "Deino" (странен/силен), "coccus" (кълбо) и "radiodurans" (издържащ на радиация), което описва нетипичната й способност да преживява високи дози радиация.

Морфология и растеж

Deinococcus radiodurans образува снажни колонии с характерен червен до розов оттенък, причинен от каротеноидни пигменти (например деиноксантин), които допринасят за защитата срещу оксидативен стрес и ултравиолетова светлина. Видът е аеробен, расте при умерени температури (оптимално около 30 °C) и не е патогенен за хората или животните.

Механизми на изключителна устойчивост

Deinococcus radiodurans има комплекс от адаптации, които му позволяват да преживява състояния, фатални за повечето организми:

• Ефикасни системи за поправка на ДНК: бактерията разполага със силно развита мрежа за поправка на ДНК, включително механизми за сливане и рекомбинация, които възстановяват множество двойно-верижни скъсвания.
• Многокопийност на генома: клетките съдържат няколко копия на своя геном, което осигурява шаблони за точно възстановяване.
• Защита на протеините: високото съдържание на манган и специфични малки лиганди помага да се предпазят белтъците от оксидативно увреждане; това е ключов фактор за устойчивост към йонизираща радиация.
• Антиоксидантни системи: ензими като супероксид дисмутаза (Mn-SOD), каталази и други антиоксиданти редуцират вредните реактивни кислородни видове. В текста е спомената и тиоредоксин редуктазата, която участва в отговора на клетките при двойноверижни скъсвания на ДНК.
• Каротеноиди: пигментите (например деиноксантин) действат като естествени антиоксиданти и допринасят за устойчивостта срещу UV.
• Специализирани белтъци за възстановяване: сред тях са RecA и специфични за Deinococcus фактори (например PprA), които подпомагат реставрацията на генома след фрагментация.

Генетика и молекулярни особености

D. radiodurans има генна последователност, която кодира протеин, много подобен на ензима RecD, открит в E. coli. Това важно откритие предполага, че този RecD-подобен протеин в D. radiodurans е важна част от използваната от него система за възстановяване. Геномът на вида включва няколко кръгли молекули (две хромозоми и допълнителни плазмиди) и често присъства в множество копия в една клетка — особеност, която подпомага точната репарация след тежки увреждания.

Роля на Mn-SOD и експерименти с други видове

Едно направление в изследванията е прехвърлянето на отделни фактори на устойчивост в други бактерии. Възможно е други бактерии да станат толкова устойчиви на радиация, колкото D. radiodurans, чрез промяна на тяхната генетика. Един изследователски екип в Китай се опитва да вмъкне експресивен рекомбинантен Mn-SOD протеин от D. radiodurans в E.coli BL21. Истинското предизвикателство тук е да се направи така, че протеинът да се самоподдържа в новия вид — правилното свързване с метални йони, правилната концентрация на манган и взаимодействието с останалите антиоксидантни системи. Екипът е "осигурил основите за по-нататъшни изследвания и приложения на рекомбинантния Mn-SOD".

Приложения и значение

• Биоремедиация: Deinococcus може да се използва за почистване на радиоактивно замърсени терени и отпадъци, тъй като оцелелите клетки могат да преработват и свързват замърсители в среди, където повечето микроорганизми загиват.
• Биоинспирация за медицина и технология: разбирането на механизмите за защита на белтъците и ДНК може да доведе до нови подходи за защита при радиационна терапия, съхранение на биопрепарати и синтетична биология.
• Изследвания в астробиологията: устойчивостта на изсушаване и радиация прави вида интересен при моделиране на възможности за живот при екстремни космически условия.

Култивиране и безопасност

Deinococcus radiodurans се култивира в лабораторни условия при стандартни аеробни условия и не представлява опасност за човешкото здраве — не е известен като патоген. Въпреки това работа с високи дози радиация или генетично модифицирани щамове трябва да се извършва при подходящи биобезопасностни протоколи и разрешения.

В обобщение, Deinococcus radiodurans е уникален модел за изучаване на устойчивост към екстремни увреждания: комбинацията от ефективни ДНК‑ремонтни системи, защита на белтъците чрез манган-зависими механизми и специализирани антиоксидантни стратегии обяснява впечатляващата му способност да преживява условия, които убиват почти всички други форми на живот.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява Deinococcus radiodurans?

В: Какви системи има Deinococcus radiodurans и от какво може да се възстанови?

В: Каква е поносимостта на Deinococcus radiodurans към радиация?

В: Какво представлява тиоредоксин редуктазата?

В: Какъв е RecD-подобният протеин в D. radiodurans и какво подсказва това?

Въпрос: Възможно ли е да се създадат други бактерии, устойчиви на радиация като D. radiodurans?

В: Какво е истинското предизвикателство при вмъкването на експресивен рекомбинантен Mn-SOD протеин от D. radiodurans в E.coli BL21?

Търсене по буква