Бактерии экстремалы

Бактерии экстремалы

Характеристики

В 1980-х и 1990-х годах биологи обнаружили, что микробная жизнь обладает удивительной гибкостью к выживанию в экстремальных местах обитания — например, в нишах, чрезвычайно горячих или кислотных, которые были бы абсолютно негостеприимными для сложных организмов. Некоторые учёные даже заключили, что жизнь на Земле могла зародиться в подводных гидротермальных источниках на дне океана. Согласно астрофизику Штайн Зигурдсону, «Были обнаружены жизнеспособные споры бактерии возрастом 40 миллионов лет, и мы знаем что они очень устойчивы к радиации». В феврале 2013 года учёные сообщили об обнаружении бактерии, обитающей в холоде и темноте озера, захоронённого под полумильной толщей льда в Антарктиде. 17-го марта 2013 года исследователи представили данные, предполагающие обилие микробной жизни на дне Марианской впадины. Другие учёные опубликовали схожие исследования, что микробы обитают внутри скал на глубине 1900 футов ниже морского дна, под 8500 футами океана у берегов северо-западных Соединённых Штатов. Вот что сказал один из исследователей: «Вы можете обнаружить микробы повсюду — они чрезвычайно приспособляемы к условиям и выживают, где бы они ни находились».

Классификация

Во всём мире насчитывается много классов экстремофилов, каждый из которых соответствует тому, как его экологическая ниша отличается от мезофильных условий. Эти классификации не являются взаимоисключающими. Многие экстремофилы подпадают под несколько категорий сразу и называются полиэкстремофилами. Например, организмы, живущие внутри горячих скал глубоко под поверхностью Земли являются термофильными и барофильными, подобно Thermococcus barophilus. Полиэкстремофил, обитающий на вершине горы в пустыне Атакама может оказаться радиоустойчивым ксерофилом, психрофилом и олиготрофным организмом. Полиэкстремофилы хорошо известны своей способностью переносить как высокие, так и низкие уровни рН.

Термины

Ацидофил — организм с оптимальным ростом при уровнях рН 3 или ниже.

Алкалифил — организм с оптимальным ростом при уровнях рН 9 или выше.

Анаэроб — организм, которому не требуется кислород для роста, такой как Spinoloricus Cinzia. Существуют два подвида: факультативные анаэробы и облигатные анаэробы. Факультативные анаэробы могут вынести анаэробные и аэробные условия; однако, облигатный анаэроб погибнет даже в присутствии незначительного количества кислорода.

Криптоэндолит — организм, живущий в микроскопических пространствах внутри скал, таких как поры между зёрен заполнителей; они также могут быть названы эндолитами, термин, который включает в себя организмы, населяющие трещины, водоносные горизонты и разломы, заполненные подземными водами глубоко под поверхностью земли.

Галофил — организм, живущий в соляных растворах с содержанием NaCl 25—30 %.

Гипертермофил — организм, который может развиваться при температурах 80-122 °C, встречается в гидротермальных системах.

Гиполит — организм, живущий под камнями в холодных пустынях.

Капнофил — организм, которому для своей жизнедеятельности требуется углекислый газ в концентрации 10—15 %.

Литоавтотроф — организм (обычно бактерия), чьим единственным источником углерода является двуокись углерода и экзэргоническое неорганическое окисление (хемолитотрофы), подобный Nitrosomonas еurораеа; эти организмы способны получать энергию от восстановленных минеральных соединений, таких как пирит, и принимают активное участие в геохимическом круговороте и выветривании материнской породы, таким образом формируя почву.

Металлотолерантный организм способен выносить высокие уровни растворённых тяжёлых металлов в растворе, таких как медь, кадмий, мышьяк и цинк; примеры включают Ferroplasma Sp., Cupriavidus metallidurans и GFAJ-1.

Олиготроф — организм, способный расти в питательно ограниченных условиях.

Осмофил — организм, способный жить в растворах с чрезвычайно высокой концентрацией осмотически активных веществ и соответственно при высоком осмотическом давлении (например, микроскопические грибки, употребляющие мёд в качестве субстрата).

Пьезофил (также упоминается как барофил) — организм, оптимально живущий при высоких давлениях, которые достигаются глубоко в океане или под землёй; обычны в глубоких недрах земли, а также в океанических впадинах.

Полиэкстремофил (от лат. и др.греч. «любовь ко многим крайностям») является организмом, экстремофильным в более чем одной категории.

Психрофил/криофил — организм, способный на выживание, рост или размножение при температуре 10 °С и ниже в течение длительного периода; распространены в холодных почвах, вечной мерзлоте, полярном льду, холодной морской воде, или на/под альпийским снежным покровом.

Радиорезистентные организмы устойчивы к высоким уровням ионизирующего излучения, наиболее часто к ультрафиолетовому излучению, но в том числе и организмы, способные противостоять ядерному излучению.

Термофил — организм, процветающий при температурах 45-122 °C.

Термоацидофил — сочетание термофила и ацидофила, предпочитает температуру 70-80 °С и рН 2-3.

Ксерофил — организм, который может расти в очень сухих, обезвоженных условиях; почвенные микробы в пустыне Атакама служат примером данному типу.

Астробиология

Область астробиологии связана с теориями возникновения жизни, такими как панспермия, а также затрагивает вопросы о распределении, природе и будущем жизни во Вселенной. В ней экологи-микробиологи, астрономы, планетарные учёные, геохимики, философы и исследователи, конструктивно сотрудничая, направляют свои усилия на поиск жизни на других планетах. Астробиологи особенно заинтересованы в изучении экстремофилов, так как многие организмы данного типа способны выжить в условиях, аналогичных тем, которые как известно, существуют на других планетах. Например, на Марсе могут быть области глубоко под поверхностью вечной мерзлоты, укрывающие сообщества эндолитов. Водный океан под поверхностью Европы, спутника Юпитера, гипотетически может содержать жизнь в глубинных гидротермальных источниках.

Недавние исследования, проведённые над экстремофилами в Японии, состояли из множества бактерий, включая Escherichia coli и Paracoccus denitrificans, которых подвергли условиям экстремальной силы тяжести. Бактерии выращивались в ультрацентрифуге на высоких скоростях, соответствующих 403627 g (то есть в 403627 раз большая сила тяжести, чем на Земле). Paracoccus denitrificans была одной из бактерий, продемонстрировавшей не только выживание, но также устойчивый клеточный рост в условиях сверхускорения, которые обычно можно найти только в космических условиях, например, на очень массивных звёздах или в ударных волнах сверхновых. Анализ показал, что небольшой размер клеток прокариот имеет важное значение для успешного роста при гипергравитации.

26 апреля 2012 года, учёные сообщили, что лишайник выжил и показал замечательные результаты на способность к адаптации фотосинтетической активности в течение 34 дней имитационного моделирования марсианских условий, проведённых в Mars Simulation Laboratory (MSL), Германского центра авиации и космонавтики (DLR).

29 апреля 2013 года, учёные Политехнического Института Ренсселера, спонсируемого НАСА, сообщили, что за время космического полёта на Международную космическую станцию микробы адаптируются к космической среде в «не наблюдаемом на Земле» смысле и таким образом «могут привести к увеличению роста и вирулентности».

19 мая 2014 года, учёные объявили, что многочисленные микроорганизмы, такие как Tersicoccus phoenicis, могут быть устойчивыми к методам, обычно используемым в чистых помещениях для сборки космических аппаратов. На данный момент не известно, могли ли стойкие микробы выдержать космическое путешествие и присутствуют ли они сейчас на Rover Curiosity, планете Марс.

20 августа 2014 года, учёные подтвердили существование микроорганизмов, живущих в полумиле подо льдом Антарктиды.

20 августа 2014 года, российские космонавты сообщили об обнаружении планктона на внешней поверхности иллюминатора Международной космической станции, но затруднились объяснить, как он там оказался.

В феврале 2017 года специалисты Института астробиологии NASA под руководством Пенелопы Бостон обнаружили живые организмы, находящиеся внутри гигантских кристаллов селенита в шахтах под городом Найка мексиканского штата Чиуауа. Они располагаются над магматическим карманом, поэтому температура здесь держится на уровне +60º С. Микроорганизмы находились в кристаллах в течение около 60 тысяч лет в состоянии геолатентности (оставались жизнеспособными), но не проявляли активности. Установлено, что для выживания бактерии, вирусы и археи «использовали» оксид меди, марганец, сульфиды и железо; переработка этих веществ обеспечивала их энергией.

Промышленное использование

Термоалкалифильная каталаза, инициирующая распад перекиси водорода на кислород и воду, была выделена из организма Thermus brockianus, найденного в Йеллоустонском национальном парке исследователями национальной лаборатории Айдахо. Каталаза действует в диапазоне температур от 30 °C до 94 °С и значении рН 6-10. Она чрезвычайно стабильна по сравнению с другими каталазами при высоких температурах и рН. В сравнительном исследовании, каталаза Т. brockianus показала период полураспада 15 дней при 80 °С и рН 10, а каталаза, полученная из Aspergillus niger имела период полураспада 15 секунд при тех же условиях. Каталазе найдётся применение в удалении перекиси водорода в промышленных процессах, таких как целлюлозно-бумажное и текстильное отбеливание, пищевая пастеризация и обеззараживание поверхности упаковок пищевых продуктов.

ДНК-модифицирующие ферменты, такие как термостабильная ДНК полимераза и некоторые ферменты Bacillus, используемые в клинической диагностике и при разжижении крахмала, производятся на коммерческой основе несколькими биотехнологическими компаниями.

Перенос ДНК

Известно более 65 видов прокариот, изначально способных к генетической трансформации: умении переносить ДНК из одной клетки в другую, с последующим включением ДНК донора в хромосому клетки реципиента. Некоторые экстремофилы способны осуществлять видоспецифический перенос ДНК, как описано ниже. Тем не менее, пока не ясно, часто ли такие возможности встречаются среди экстремофилов.

Бактерия Deinococcus radiodurans один из самых известных радиорезистентных организмов. Эта бактерия также переносит холод, обезвоживание, вакуум и кислоту и поэтому является полиэкстремофилом. D. radiodurans способна производить генетическую трансформацию. Клетки реципиента могут восстанавливать повреждения ДНК в трансформирующей ДНК донора, вызванные УФ излучением, так же эффективно, как они восстанавливают клеточную ДНК, когда сами клетки облучаются.

Крайне термофильные бактерии Thermus thermophilus и другие родственные виды Thermus способны к генетической трансформации. Halobacterium volcanii, крайне галофильный архей, также способен к естественной генетической трансформации. Между клетками образуются цитоплазматические мостики, которые используются для переноса ДНК от одной клетки к другой в любом направлении.

Sulfolobus solfataricus и Sulfolobus acidocaldarius являются гипертермофильными археями. Воздействие на эти организмы ДНК-повреждающих агентов: УФ излучения, блеомицина или митомицина С, вызывает видоспецифическую клеточную агрегацию. Клеточная агрегация С. acidocaldarius, вызванная ультрафиолетом, посредничает в обмене хромосомного маркера с высокой частотой. Скорость рекомбинации на три порядка выше чем у не индуцированных культур. Frols и др. и Ajon и др. предположили, что клеточная агрегации улучшает видоспецифичный перенос ДНК между клетками Sulfolobus, для восстановления поврежденной ДНК с помощью гомологичной рекомбинации. Van Wolferen и др. отметили, что этот процесс обмена ДНК может иметь решающее значение в условиях повреждающих ДНК, таких как высокие температуры. Он также предположил, что перенос ДНК в Sulfolobus может быть ранней формой сексуального взаимодействия, схожей с более хорошо изученными системами бактериальной трансформации, которые включают видоспецифический перенос ДНК, приводящий к гомологичной рекомбинационной репарации повреждений ДНК (см. Трансформация (генетика)).

Внеклеточные мембранные везикулы могут быть вовлечены в передачу ДНК между различными видами гипертермофильных археев. Было показано, что плазмиды, как и вирусный геном могут быть переданы посредством мембранных везикул. В особенности, был зарегистрирован горизонтальный перенос плазмид между гипертермофильными Thermococcus и Methanocaldococcus видами, соответственно принадлежащими к отрядам Thermococcales и Methanococcales.

> Примечания

Пожалуйста помогите написать сообщение о водорослях, живущих в экстремальных условиях!!!!!!

Источников
Водоросли способны жить и размножаться в таких условиях, которые на первый взгляд кажутся совершенно непригодными для жизни: в горячих источниках, температура которых достигает иногда почти точки кипения, в арктических водах с минусовой температурой, а также на снегу и льду.
Водоросли способны жить при довольно широких температурных границах – от 3оС до 85оС, тогда как большинство организмов обитает в более узком температурном диапазоне.
Выносливость к экстремальным условиям чаще всего свойственно синезеленым водорослям (цианобактериям), многие виды которых являются типичными термофильными водорослями (от греч. «термо» – тепло, «филос» – люблю). Эти водоросли могут жить при температуре 75-80оС и даже при 85оС.
В термальных источниках большая часть видов представлены нитчатыми формами и значительно меньшей степени – одноклеточными. Нередко нитчатки разрастаются большими матами, выстилающими стенки водоемов или плавающими на поверхности водоемов.
В значительных количествах в горячих источниках встречаются диатомовые и зеленые водоросли, однако они менее термофильны, и обитают по окраинам водоемов в более холодных участках. Температурный предел, при котором живут диатомовые и зеленые не превышает 50оС.
Общее количество видов водорослей, обнаруженных в горячих водах, более 2000. Преобладающее число видов относится к синезеленым, далее идут диатомовые и зеленые. Так, например, в горячих источниках Камчатки, температура которых достигает 75,5оС, было обнаружено 52 вида водорослей, из которых 28 относятся к синезеленым, 17 – к диатомовым и только 7 – к зеленым. Однако наиболее специфичными для горячей воды оказались опять-таки синезеленые (20 видов из 28), тогда как большая часть диатомовых и зеленых обитала на Камчатке, как в теплых, так и в холодных водах.
Число видов водорослей в разных горячих источниках варьирует в широких пределах, от десятка видов до сотен и более. Так, например, в горячих источниках Йелоустонского национального парка США одних только синезеленых было обнаружено 166 видов, а в горячих источниках Греции – 128 видов. Значительная часть синезеленых водорослей относится к порядку осциллаториевых и ностоковых.
С повышением температуры источника число видов резко снижается. Больше всего видов обнаружено при температуре 35-40оС, тогда как при 85-90оС – отмечено всего 2 вида.
Специфических термофилов, не способных существовать при температуре ниже 30оС, очень немного. Самые широко распространенные из них – мастигокладус и формидиум. Оптимум их температурного развития лежит в пределах 45-50оС.
Большая часть водорослевого населения горячих источников состоит из эвритермных водорослей, живущих и при более низких температурах.

Водоросли, живущие в необычных условиях

Водоросли могут жить при достаточно широких температурных границах: от трех градусов до восьмидесяти пяти. А ведь большинство организмов живет в более узком диапазоне.

Выносливы в экстремальных условиях синие водоросли и зеленые. Их называют цинобактериями. Большая их часть является термофильными водорослями. Это означает, что они могут жить при достаточно высоких температурах (восемьдесят-восемьдесят пять).

В термальных источниках обитают многоклеточные водоросли нитчатой формы, а также одноклеточные. Нитчатки часто разрастаются большими колониями, выстилая стенки водоемов, или плавают по их поверхности.

В больших количествах в горячих водоемах можно встретить зеленые и диатомовые водоросли. Но они менее адаптированы к высоким температурам, а потому предпочитают обитать по краям водоемов в более прохладных местах. Для них максимальная температура для жизни составляет пятьдесят градусов.

Вообще в горячих водах обнаружено более двух тысяч видов водорослей. Преобладают, безусловно, сине-зеленые виды, далее диатомовые и потом зеленые.

В горячих гейзерах Камчатки температура достигает 75,5 градусов. В них было обнаружено пятьдесят два вида водорослей. Так вот, двадцать восемь из них – это сине-зеленые, и только семнадцать — диатомовые, а семь — зеленые виды.

Водоросли среди снегов и льда

Есть также водоросли, живущие в необычных условиях, средой обитания которых является снег и лед. Конечно, температурные границы для водорослей достаточно широки, что позволяет им обитать даже в очень холодных условиях. В таких неблагоприятных местах происходит даже интенсивное размножение водорослей, что порой приводит к окрашиванию льда в самые разные цвета: малиновый, красный, зеленый, бурый, фиолетовый. Преобладает тот цвет, каких водорослей больше в данном месте. Толщина окрашенного слоя составляет пару сантиметров, именно на такую глубину проникает свет.

В красный цвет окрасить снег способна хламидомонада, а в зеленый — нитчатые водоросли, в коричневый — диатомовые водоросли.

Надо сказать, что снежные водоросли большую часть времени находятся в спокойном состоянии. А вот весной, когда морозы немного ослабевают, происходит интенсивное размножение водорослей. Обитают, они, как правило, на остатках старого снега в расщелинах или высоко в горах. Развиваться начинают водоросли в талой воде, которая образуется под первыми лучами солнца. Ночью, когда температура опускается, они замерзают вместе с жидкостью.

Снежные водоросли можно встретить во многих местах земного шара, в основном это высокогорные районы.

«Цветение» ледников

В 1903 году на Земле Франца-Иосифа наблюдалось «цветение» льда, которое стало возможным благодаря развитию огромных колоний хламидомонады. В России ледовые водоросли находили на Северном Урале, Кавказе, Тянь-Шане, Камчатке, Сибири, Северном Урале, на Новой Земле и многих других местах.

Доказано, что цветение снега и льда — это повсеместное явление. Сейчас насчитывают более ста снежных водорослей. Это зеленые, сине-зеленые водоросли и диатомовые, а также желто-зеленые, золотистые. На Кавказе найден такой вид, как багрянка.

Исследования показывают, что чем выше подниматься в горы, тем меньше становится там видовой состав водорослей. Это обусловлено тем, что в наиболее сложных условиях выживают только некоторые виды, так сказать самые устойчивые.

Как ни странно, но достаточно интенсивное развитие водорослей происходит во льдах Антарктики и Арктики. В этих регионах наиболее развиты диатомовые разновидности. Когда они размножаются в огромных количествах, то окрашивают воду и лед в коричнево-желтый или бурый цвет.

Водоросли, живущие в необычных условиях, обеспечивают цветение льда не по его поверхности, за счет массового размножения, а в разного рода углублениях или выступах, которые погружены в воду. Изначально они развиваются на нижней части ледового покрытия, а потом с приходом холода замерзают. Когда приходит весна, лед оттаивает, а вместе с ним выходят на поверхность и водоросли.

Все водоросли, обитающие в необычных условиях холода, получили название криобионты. В условиях низкой температуры живут не только микроскопические, но и многоклеточные водоросли, например, ламинарии.

Экстремальная биология

Сотрудники лаборатории

Лаборатория занимается изучением уникального нaсекомого комара-звонца Polypedilum vanderplanki – одного из сложно устроенных представителей животного мира, способных выживать при отсутствии воды в его организме.

Изучение этого насекомого может дать нам возможность безводного хранения восстанавливаемой еды, биоматериалов, биообъектов, семян растений — всего того, что космонавты могут использовать во время полета, в том числе, в экспериментальных целях. И, самое главное, без невероятного количества электроэнергетических затрат, что в условиях космического полета – бесценно.

Помимо способности к ангидробиозу (жизни без воды), в лаборатории изучают и млекопитающих, способных к погружению в глубокий сон – спячку, используя интереснейшую группу грызунов – сонь. Потому что атрофия скелетных мышц, в условиях длительной иммобилизации и микрогравитации у большинства млекопитающих, в частности у человека, остается актуальной проблемой в медицине, физиологии и космической биологии.

Так же, лаборатория совместно со специалистами Республиканского клинического онкологического диспансера (РКОД) проводит исследования на тему «Этноспецифические особенности генов–онкомаркеров населения Республики Татарстан».

Войти

Структурно-функциональные исследования белков экстремофильных микроорганизмов
Проект выполняется в рамках гранта Российского Научного Фонда № 14-24-00172

В процессе эволюции микроорганизмы колонизовали самые неблагоприятные с точки зрения человека, экстремальные среды обитания. Представителей микробных сообществ можно встретить глубоко под землей на глубине до 6.7 км, на дне океанов где давление достигает 110 МРа, в условиях экстремальной кислотности (рН 0) и основности (рН 12.8) среды, в гидротермальных источниках при 122˚С и замерзшей морской воде при температуре – 22˚С.

Адаптация микроорганизмов к экстремальным условиям обитания может реализовываться на различных иерархических уровнях — на уровне микробного сообщества, на уровне клеточных процессов и на молекулярном, биохимическом уровне. Адаптационные механизмы экстремофилов включают целый ряд процессов, в том числе изменение липидного состава мембран по сравнению с нейтрофильными организмами, синтез органических осморегуляторов в ответ на осмотический шок, а также изменение состава и свойств белков — ключевых компонентов метаболических путей, обеспечивающих более эффективное превращение субстратов – источников биомассы и энергии. Последний тип адаптации представляет особый интерес, поскольку делает экстремофилы перспективным источником белков и ферментов с уникальными свойствами, структурно-функциональное исследование которых позволит создать теоретическую базу для конструирования генноинженерных белков, обладающих высокой активностью и стабильностью в экстремальных условиях (рН, соленость, температура и т.д.).

Информация о структурных особенностях белков экстремофильных микроорганизмов все еще достаточно ограничена и в основном связана с белками из термофилов. Весьма актуальным является расширение базы знаний о принципах структурной организации белков экстремофилов из других ниш обитания (галофилов, алкалифилов и т.п.), тем более, что многие белки способны проявлять т.н. полиэкстремофильные свойства, например, устойчивость одновременно к высоким температурам, концентрациям солей и экстремальным значениям рН. Структурные основы подобных уникальных свойств требуют дополнительного изучения.

В результате выполнения проекта будет проведена структурно-функциональная характеристика белков экстремофильных микроорганизмов, адаптированных к различным условиям обитания – высокой/низкой температуре, рН среды, концентрации солей. Сравнение пространственных структур белков, выполняющих одни и те же функции, но выделенных из организмов, приспособленных для жизни в различных условиях, позволит выявить общие закономерности структурной адаптации белков к экстремальным условиям.

Основными составляющими элементами проекта являются:

  • экстремофильные микроорганизмы как источник разнообразия белков и ферментов с уникальными свойствами;
  • белки и ферменты – непосредственные объекты исследования;
  • структурно-функциональная характеристика отобранных для исследования белков экстремофильных микроорганизмов.
  • сравнительный анализ функциональных свойств и структуры ферментов из экстремофильных организмов с гомологичными ферментами из мезофилов.

Общая схема реализации проекта

В качестве источников белковых объектов для структурно-функциональных исследований выступают следующие экстремофильные микроорганизмы и/или их геномы:

  • бактерии рода Thioalkalivibrio
  • термо- и гипертермофильные археи
  • экстремофилы, для которых показана способность к металлоредукции
  • психрофильные микроорганизмы.

Коллектив исполнителей в течение последних лет успешно сотрудничает в области структурно-функциональных исследований с ИНМИ РАН и Центром Биоинженерии РАН, в котором проводилось полногеномное секвенирование данных микроорганизмов. С 2015 года организация-исполнитель проекта, ИНМИ РАН и Центр Биоинженерии РАН объединились в ФИЦ Биотехнологии РАН, что поспособствовало более тесной интеграции компетенций, в том числе в рамках проекта.

Коллектив исполнителей обладает всеми необходимыми компетенциями для успешной реализации проекта, соответствующей материально-технической базой и имеет партнерские отношения с рядом ведущих международных центров, работающих в области структурной биологии (EMBL, ESRF, Spring8).

Перечень и схема распределения научного оборудования, имеющегося в распоряжении коллектива исполнителей

Публикации в рамках проекта за 2014 год:

Публикации в рамках проекта за 2015 год:

8. К.М. Бойко, В.О. Попов, М.В. Ковальчук Перспективные методы кристаллизации макромолекул, уменьшающие конвекционный транспорт вещества к растущему кристаллу Успехи Химии (2015 г.)

9. Михайлова А.Г., Некрасов А.Н., Зинченко А.А., Ракитина Т.В., Корженевский Д.А., Липкин А.В., Разгуляева О.А., Овчинникова М.В., Горленко В.А., Румш Л.Д. Укороченные варианты олигопептидазы В из Serratia proteamaculas с измененной активностью Биохимия (2015 г.)

11. Boyko Konstantin, Stekhanova Tatiana, Nikolaeva Alena, Mardanov Andrey V., Rakitin Andrey L., Ravin Nikolai V., Bezsudnova Ekaterina and Popov Vladimir “First structure of archaeal branched-chain transaminase from Thermoproteus uzoniensis with specificity to L-amino acids and R-amines”, Extremophiles. (Положительная рецензия получена, исправленная статья отослана в редакцию).

План работы на 2016 год:

1. Характеристика строения и свойств активного центра тиоцианатдегидрогеназы из галоалкалофильной бактерии Tv. paradoxus спектральными методами ЭПР, EXAFS.

2. Продолжение работы по рентгеноструктурному анализу тиоцианатдегидрогеназы из бактерии Tv. paradoxus: получение структуры комплексов TCDH с субстратом – тиоцианатом и ингибиторами (цианатом и цианидом).

3. Получение, структурная и функциональная характеристика точечных мутантов тиоцианатдегидрогеназы с целью установления механизма действия фермента.

4. Выделение и характеристика ферментов серуокисляющей системы Sox из галоалкалофильных бактерий Tv. nitratireducens и Tv. paradoxus. Кристаллизация с целью последующего определения структуры методом рентгеноструктурного анализа.

5. Оптимизация системы экспрессии генов мультигемовых цитохромов с в клетках E. coli. Получение и функциональная характеристика генно-инженерных форм мультигемовых цитохромов с — потенциальных участников процесса экстраклеточного транспорта электронов у термофильных металлоредукторов.

6. Характеристика ω-аминотрансфераз из бактерии Psychrobacter cryohalolentis и археи Vulcanisaeta moutnovskia: исследование субстратной специфичности и физико-химических свойств ферментов. Учитывая низкую растворимость аминотрансферазы из V. moutnovskia будет проведен дополнительный поиск гомологичной ω-аминотрансферазы в геномах гипертермофильных архей. Будут проведены выделение и характеристика рекомбинантной формы нового фермента.

7. Характеристика R-селективных трансаминаз из экстремофильных организмов Мethanococcus vannielii SB, Thermomicrobium roseum, Haliangium ochraceum и Thermobaculum terrenum ATCC. Анализ R-специфичности в реакциях с различными алифатическими и ароматическими субстратами. Рациональный дизайн отобранной трансаминазы с использованием данных по структуре и результатов моделирования с целью повышения активности в реакциях с R-хиральными аминами при сохранении термостабильности ферментов.

8. Кристаллизация ω-аминотрансферазы из Psychrobacter cryohalolentis и гомологичных аминотрансфераз из архей, продолжение кристаллизации R-селективных трансаминаз из археи Thermomicrobium roseum и бактерий Thermobaculum terrenum ATCC и Haliangium ochraceum. По мере получения качественных кристаллов проведение рентгеноструктурного эксперимента, обработка полученных данных, решение и уточнение новых структур, анализ полученных структур, депонирование координат в банк данных PDB.

9. Уточнение решенных структур холо-формы и комплексов R-селективной трансаминазы из археи M.vannielii и комплекса трансаминазы с L-norVal из археи Thermoproteus uzoniensis, депонирование координат в банк данных PDB.

10. Анализ строения активного центра и структурной организации белковой глобулы исследуемых трансаминаз. Исследование структурных факторов, повышающих стабильность и активность ферментов в экстремальных условиях.

11. Сравнительный анализ структур термостабильных R-селективных трансаминаз из архей со структурами R-селективных трансаминаз из мезофильных организмов Aspergillius terreus и Nectria haematococca. Сравнительный анализ структур термостабильной трансаминазы IV класса из Thermoproteus uzoniensis со структурами гомологичных ферментов из мезофильных организмов. Выявление структурных факторов термостабильности у трансаминаз.

Экстремофилы — это организмы, которые живут и процветают в местах обитания, где жизнь невозможна для большинства других организмов. Суффикс (-фил) в переводе с греческого означает любовь. Экстремофилы «любят» обитать в экстремальных условиях. Они обладают способностью выдерживать такие состояния, как высокая радиация, высокое или низкое давление, высокий или низкий уровень pH, отсутствие света, сильная жара или холод и экстремальная засуха.

Большинство экстремофилов — это микроорганизмы, такие как бактерии, археи, протисты и грибы. Более крупные организмы, такие как черви, лягушки, насекомые и ракообразные, также могут жить в экстремальных местах обитания. Существуют различные классы экстремофилов, основанные на типе среды, в которой они процветают. Вот некоторые из них:

  • Ацидофил — организм, который процветает в кислой среде с уровнем pH3 и ниже.
  • Алкалифил — организм, который процветает в щелочных средах с уровнем pH9 и выше.
  • Барофил — организм, который живет в условиях высокого давления, таких как глубоководные места обитания.
  • Галофил — организм, который живет в местах обитания с чрезвычайно высокой концентрацией соли.
  • Гипертермофил — организм, который процветает в средах с чрезвычайно высокими температурами (от 80° до 122° C).
  • Психрофил/криофил — организм, который живет в экстремально холодных условиях и низких температурах (от -20° до +10° C).
  • Радиорезистентные организмы — организм, который процветает в условиях с высоким уровнем радиации, включая ультрафиолетовое и ядерное излучение.
  • Ксерофил — организм, который живет в экстремально сухих условиях.

Тихоходки

Тихоходки или водные медведи могут переносить несколько типов экстремальных условий. Они живут в горячих источниках, антарктическом льду, а также в глубоких средах, на горных вершинах и даже в тропических лесах. Тихоходки обычно встречаются в лишайниках и мхах. Они питаются растительными клетками и крошечными беспозвоночными, такими как нематоды и коловратки. Водные медведи размножаются половым путем, хотя некоторые размножатся бесполым путем через партеногенез .

Тихоходки могут выживать в различных экстремальных условиях, потому что они способны временно приостанавливать обмен веществ, когда условия не пригодны для выживания. Этот процесс называется криптобиозом и позволяет водным медведям войти в состояние, которое позволит им выжить в условиях экстремальной засушливости, нехватки кислорода, сильного холода, низкого давления и высокой токсичности или радиации. Тихоходки могут оставаться в этом состоянии в течение нескольких лет и выходить из него, когда окружающая среда становится пригодной для жизни.

Краткое сообщение — Водоросли живущие в экстремалных условиях при низкой температуре среды ,при высоком давлении

Водоросли способны жить и размножаться в таких условиях, которые на первый взгляд кажутся совершенно непригодными для жизни: в горячих источниках, температура которых достигает иногда почти точки кипения, в арктических водах с минусовой температурой, а также на снегу и льду.
Водоросли горячих источников
Водоросли способны жить при довольно широких температурных границах – от 3оС до 85оС, тогда как большинство организмов обитает в более узком температурном диапазоне.
Выносливость к экстремальным условиям чаще всего свойственно синезеленым водорослям (цианобактериям), многие виды которых являются типичными термофильными водорослями (от греч. «термо» – тепло, «филос» – люблю). Эти водоросли могут жить при температуре 75-80оС и даже при 85оС.
В термальных источниках большая часть видов представлены нитчатыми формами и значительно меньшей степени – одноклеточными. Нередко нитчатки разрастаются большими матами, выстилающими стенки водоемов или плавающими на поверхности водоемов.
Водоросли снега и льда
Температурные границы, в которых возможна жизнь водорослей, очень широкие. На ледниках, снежниках и льдах иногда поселяются криофильные (от греч. «криос» – холод, «филлос» – люблю) водоросли, которые приспособлены к жизни в условиях низких температур. Находясь на поверхности снега и льда, они подвергаются сильному охлаждению в зимние стужи, а в летнее время живут и размножаются в талой воде при температуре около нуля градусов. Они размножаются на поверхности снега и льда, и в период интенсивного развития придают субстрату (т. е., снегу, льду) ту или иную окраску.

Водоросли, обитающие в экстремальных условиях

Водоросли способны жить и размножаться в таких условиях, которые на первый взгляд кажутся совершенно непригодными для жизни: в горячих источниках, температура которых достигает иногда почти точки кипения, в арктических водах с минусовой температурой, а также на снегу и льду.

Водоросли горячих источников

Водоросли способны жить при довольно широких температурных границах – от 3⁰С до 85⁰С, тогда как большинство организмов обитает в более узком температурном диапазоне.

Выносливость к экстремальным условиям чаще всего свойственно синезеленым водорослям (цианобактериям), многие виды которых являются типичными термофильными водорослями (от греч. «термо» – тепло, «филос» – люблю). Эти водоросли могут жить при температуре 75-80⁰С и даже при 85⁰С.

В термальных источниках большая часть видов представлены нитчатыми формами и в значительно меньшей степени – одноклеточными. Нередко нитчатки разрастаются большими матами, выстилающими стенки водоемов или плавающими на поверхности водоемов.

В значительных количествах в горячих источниках встречаются диатомовые и зеленые водоросли, однако они менее термофильны, и обитают по окраинам водоемов в более холодных участках. Температурный предел, при котором живут диатомовые и зеленые не превышает 50⁰С.

Общее количество видов водорослей, обнаруженных в горячих водах, более 2000. Преобладающее число видов относится к синезеленым, далее идут диатомовые и зеленые. Так, например, в горячих источниках Камчатки, температура которых достигает 75,5⁰С, было обнаружено 52 вида водорослей, из которых 28 относятся к синезеленым, 17 – к диатомовым и только 7 – к зеленым. Однако наиболее специфичными для горячей воды оказались опять-таки синезеленые (20 видов из 28), тогда как большая часть диатомовых и зеленых обитала на Камчатке, как в теплых, так и в холодных водах.

Число видов водорослей в разных горячих источниках варьирует в широких пределах, от десятка видов до сотен и более. Так, например, в горячих источниках Йелоустонского национального парка США одних только синезеленых было обнаружено 166 видов, а в горячих источниках Греции – 128 видов. Значительная часть синезеленых водорослей относится к порядку осциллаториевых и ностоковых.

С повышением температуры источника число видов резко снижается. Больше всего видов обнаружено при температуре 35-40⁰С, тогда как при 85-90⁰С – отмечено всего 2 вида.

Специфических термофилов, не способных существовать при температуре ниже 30⁰С, очень немного. Самые широко распространенные из них – мастигокладус и формидиум. Оптимум их температурного развития лежит в пределах 45-50⁰С.

Большая часть водорослевого населения горячих источников состоит из эвритермных водорослей, живущих и при более низких температурах.

Водоросли снега и льда

Температурные границы, в которых возможна жизнь водорослей, очень широкие. На ледниках, снежниках и льдах иногда поселяются криофильные (от греч. «криос» – холод, «филлос» – люблю) водоросли, которые приспособлены к жизни в условиях низких температур. Находясь на поверхности снега и льда, они подвергаются сильному охлаждению в зимние стужи, а в летнее время живут и размножаются в талой воде при температуре около нуля градусов. Они размножаются на поверхности снега и льда, и в период интенсивного развития придают субстрату (то есть, снегу, льду) ту или иную окраску.

В этих, казалось бы, крайне неблагоприятных условиях, могут жить многие виды водорослей, причем они размножаются столь интенсивно, что окрашивают поверхность снега и льда в самые разнообразные цвета – красный, малиновый, зеленый, синий, голубой, фиолетовый, бурый и даже черный, в зависимости от преобладания в нем тех или иных видов водорослей. Толщина окрашенного слоя снега измеряется несколькими сантиметрами, то есть на глубину проникновения света.

Снег в красный цвет окрашивает хламидомонада снежная, в зеленый – нитчатая водоросль рафидонема снежная, в коричневый – диатомовые водоросли, а также десмидиевая водоросль анцилонема Норденшельда, названная в честь шведского (финского) полярного исследователя А.-Э. Норденшельда.

Снежные водоросли большую часть времени находятся в состоянии покоя. Весной, как только ослабевают морозы, водоросли начинают интенсивно размножаться. Снежные водоросли развиваются, как правило, на старом снегу оставшемся лежать в холодных ущельях или снежных полях высоко в горах. Водоросли начинают развиваться в талой воде, образующейся под лучами солнца в трещинах льда и пустотах снега. Днем организмы, так называемого, криопланктона ведут активный образ жизни, а ночью смерзают в лед.

Снежные водоросли относятся к группе криопланктона – населения талой воды.

Снежные водоросли встречаются во многих местах земного шара, преимущественно в высокогорных областях на склонах гор. «Цветение» ледников и снежников жители гор отмечали давно, однако их изучение началось только в начале ХХ века. Периодически наблюдения за снежными водорослями были проведены и в ХIХ веке.

«Цветение» ледников хламидомонадой снежной наблюдал в 1903 г. на Земле Франца-Иосифа русский ботаник В.И.Палибин. Большой вклад в изучение ледниковой флоры внесла Э.Коль из Венгрии. В 30-40-х годах она обследовала ледниковый покров Гренландии, ледники Североамериканских Скалистых гор, Карпат, Альп и др. Она впервые обнаружила и описала снежные синезеленые водоросли. Большую работу по сбору снежной флоры проводил в 1928 г. на Кавказе Г.С.Филиппов, который показал, что развитие водорослей в горах – довольно распространенное явление.

В России обитателей льда и снега находили на Кавказе, Тянь-Шане, Камчатке, Северном Урале, Сибири, Шпицбергене, на Новой Земле, Земле Франца-Иосифа и многих других местах. Установлено, что «цветение» снега является повсеместным явлением.

В настоящее время «снежных» водорослей насчитывают свыше 100 видов. Среди них наиболее распространены зеленые, диатомовые, синезеленые водоросли. Наибольшим числом видов представлены желто-зеленые, золотистые, динофитовые. В горах Кавказа даже обнаружена водоросль, относящаяся к багрянкам.

Исследования, проведенные на Кавказе, показали, что с высотой видовой состав водорослей сильно меняется. Чем выше в горы, тем он становится менее разнообразным: постепенно выпадают диатомовые, десмидиевые и другие зеленые водоросли. Ведущая роль переходит к ранее незаметным в общей массе синезеленым. На высоте около 5000 м они становятся единственными обитателями ледников, образуя «границу» жизни в высокогорье.

Не мене интенсивное развитие водорослей наблюдается и во льдах арктических и антарктических бассейнов, в которых наиболее интенсивно развиваются диатомовые. Развиваясь в больших количествах они окрашивают лед и воду в бурый и желто-коричневый цвета.

Первая большая коллекция водорослей, обитающих на поверхности дрейфующих льдов, была собрана во время исторического плавания в Северном Ледовитом океане Адольфа Эрика Норденшёльда на «Веге». Альгологи обнаружили в этих пробах сотни видов диатомовых водорослей. И.В.Полибин, изучая микроводоросли льдов во время плавания «Ермака» под командой С.О.Макарова в 1901-1902 годах, установил, что они разрушающе действуют на лед.

«Цветение» льда в отличие от «цветения» снега, происходит главным образом за счет массового развития водорослей не на поверхности льда, а на нижней части – в углублениях и выступах, погруженных в воду. Первоначально они развиваются на нижней поверхности льда, а затем с наступлением зимы вмерзают в лед. Далее по мере летнего оттаивания льда с поверхности, вмерзшие диатомовые выходят на поверхность льдов. В лужах опресненной воды на поверхности льдов эти водоросли постепенно отмирают. Темные пленки отмерших водорослей, как и все темные предметы, поглощают больше тепловых лучей, чем окружающая их белая поверхность, способствуют более быстрому таянию льда. «Ледовых» диатомей в арктических и антарктических морях обнаружено уже более 80 видов.

Все эти водоросли получили общее название «криобионты» (от греч. «криос» – холод, «биос» – жизнь).

В условиях низких температур обитают не только микроскопические водоросли, но и крупные – бурые (ламинариевые и фукусовые). Например, у ламинариевых водорослей прорастание листовых талломов начинается при январской стуже. Особенно быстро слоевища ламинариевых растут в конце зимы и весной, когда температура воды держится в пределах нуля градусов. Отмечали даже вегетацию водорослей в морях при температуре минус 3,3⁰С. Биомасса таких водорослей может достигать до 30 кг/м² (в сырой массе), а микроскопических диатомей до 1 кг с кубического метра льда.

При реализации проекта использованы средства государственной поддержки, выделенные в качестве гранта в соответствии c распоряжением Президента Российской Федерации от 29.03.2013 № 115-рп») и на основании конкурса, проведенного Обществом «Знание» России.

К 90-летию кафедры гидробиологии МГУ.

А.П.Садчиков

вице-президент Московского общества испытателей природы

Материал в разделах:

  • В мире
  • Экологическое образование

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *