Thermus aquaticus

Thermus aquaticus — это грамотрицательная, аэробная, термофильная бактерия, относящаяся к роду Thermus. Она является одним из наиболее изученных экстремофильных микроорганизмов, способных к активному росту и размножению при высоких температурах (оптимум 70–72 °C). Бактерия известна прежде всего как источник термостабильной ДНК-полимеразы (Taq-полимеразы), которая стала ключевым компонентом метода полимеразной цепной реакции (ПЦР), произведшего революцию в молекулярной биологии и медицинской диагностике.

История открытия

Thermus aquaticus была впервые выделена в 1969 году американским микробиологом Томасом Броком (Thomas D. Brock) и его ассистентом Хадсоном Фризом (Hudson Freeze) из горячих источников Йеллоустонского национального парка (США). Образцы были взяты из источников с температурой воды около 70 °C, в частности из Большого призматического источника и других геотермальных зон. Результаты исследования были опубликованы в 1969 году в журнале Journal of Bacteriology под названием «Thermus aquaticus gen. n. and sp. n., a Nonsporulating Extreme Thermophile».

Первоначально бактерию отнесли к новому роду Thermus. Открытие стало значительным вкладом в микробиологию, так как до этого считалось, что жизнь при температурах выше 55–60 °C невозможна. Брок и Фриз показали, что Thermus aquaticus способна расти в диапазоне от 50 до 80 °C, а её максимальная температура роста достигает 79–80 °C.

Морфология и физиология

Клеточное строение

Thermus aquaticus представляет собой грамотрицательную палочку длиной 5–10 мкм и диаметром 0,5–1,0 мкм. Клетки могут образовывать длинные нити, особенно в стационарной фазе роста. Жгутики отсутствуют, однако бактерия способна к скользящему движению по поверхности агара. Спор не образует.

Метаболизм

Бактерия является хемоорганотрофом: использует органические соединения (аминокислоты, сахара, органические кислоты) в качестве источника углерода и энергии. Аэроб — для роста необходим кислород. Оптимальная температура роста — 70–72 °C, pH — 7,5–8,0. При температурах ниже 40 °C рост прекращается.

Термостабильность

Устойчивость к высоким температурам обеспечивается уникальными адаптациями:

• Термостабильные белки: ферменты сохраняют активность при 95–100 °C. Это достигается за счёт повышенного содержания гидрофобных аминокислот и ионных связей, стабилизирующих третичную структуру.
• Липиды мембраны: содержат насыщенные жирные кислоты и эфиры глицерина, что повышает температуру плавления мембраны.
• ДНК-гираза и топоизомеразы: предотвращают денатурацию ДНК при высоких температурах.

Геном

Геном Thermus aquaticus был секвенирован в 2005 году. Он состоит из одной кольцевой хромосомы длиной около 2,15 млн пар оснований (Mbp) с содержанием GC-пар 67,7 %. В геноме идентифицировано около 2200 генов, кодирующих белки. Особый интерес представляют гены, ответственные за синтез термостабильных ферментов, включая ДНК-полимеразу (ген polA), а также системы репарации ДНК и шаперонов.

Taq-полимераза: ключевое открытие

История открытия

В 1976 году группа учёных под руководством Алисы Чиен (Alice Chien) и Дэвида Б. Келли (David B. Kellen) из Университета Вайоминга впервые выделила ДНК-полимеразу из Thermus aquaticus. Однако широкое применение фермента началось после 1983 года, когда американский биохимик Кэри Муллис (Kary Mullis) разработал метод ПЦР. Первоначально в ПЦР использовали ДНК-полимеразу I из Escherichia coli (фрагмент Кленова), которая разрушалась при нагревании до 94 °C, необходимом для денатурации ДНК. Это требовало добавления свежего фермента после каждого цикла.

В 1986 году группа учёных из компании Cetus Corporation (США), включая Рэндалла Сайки (Randall Saiki) и Генри Эрлиха (Henry Erlich), впервые применила Taq-полимеразу в ПЦР. Фермент оказался термостабильным: он выдерживал многократные циклы нагревания до 94–96 °C без потери активности. Это позволило автоматизировать ПЦР, что привело к широкому внедрению метода в лабораторную практику. За открытие ПЦР Кэри Муллис получил Нобелевскую премию по химии в 1993 году.

Свойства Taq-полимеразы

• Термостабильность: сохраняет активность при 95 °C в течение 1–2 часов.
• Оптимум температуры: 72–75 °C.
• Скорость синтеза: около 60 нуклеотидов в секунду при 72 °C.
• Процессивность: 50–60 нуклеотидов за одно связывание с матрицей.
• Точность: частота ошибок составляет 1 на 10⁵–10⁶ нуклеотидов (относительно низкая по сравнению с некоторыми другими полимеразами, что связано с отсутствием 3'→5'-экзонуклеазной активности (коррекции ошибок).

Применение

Taq-полимераза используется в:

• Полимеразной цепной реакции (ПЦР): амплификация ДНК для диагностики инфекционных заболеваний (включая COVID-19), генетических исследований, судебной экспертизы.
• Секвенировании ДНК: в некоторых протоколах (например, цикловое секвенирование).
• Клонировании генов: получение фрагментов ДНК для встраивания в векторы.
• Генотипировании: анализ однонуклеотидных полиморфизмов (SNP).

Другие термостабильные ферменты

Помимо Taq-полимеразы, Thermus aquaticus является источником ряда других термостабильных ферментов, имеющих промышленное и научное значение:

• ДНК-лигаза: используется в лигазной цепной реакции (LCR) для обнаружения мутаций.
• РНК-полимераза: применяется для синтеза РНК in vitro.
• Протеазы: используются в пищевой и фармацевтической промышленности для гидролиза белков при высоких температурах.
• Амилазы: применяются в производстве глюкозных сиропов.

Экология и распространение

Thermus aquaticus является типичным обитателем геотермальных экосистем. Она встречается в:

• Горячих источниках (температура 50–80 °C, pH 6–9).
• Гейзерах.
• Гидротермальных полях.
• Системах горячего водоснабжения (например, в теплообменниках).

Бактерия часто образует биоплёнки на поверхности камней и других субстратов. В природных условиях она сосуществует с другими термофильными бактериями и археями.

Культивирование

Thermus aquaticus является факультативным анаэробом, но лучше растёт в аэробных условиях. Для культивирования используют среды, обогащённые органическими веществами (например, триптон, дрожжевой экстракт, глюкоза). Оптимальная температура — 70 °C, pH — 7,5–8,0. В лабораторных условиях бактерию выращивают на агаризованных средах или в жидких культурах.

Значение для науки и промышленности

Thermus aquaticus является модельным организмом для изучения термофилии и адаптации к экстремальным условиям. Её ферменты, особенно Taq-полимераза, стали незаменимыми инструментами в молекулярной биологии, медицине и биотехнологии. Без Taq-полимеразы невозможно было бы широкое внедрение ПЦР, что задержало бы развитие генетической диагностики, криминалистики и эволюционной биологии.

В 1993 году Кэри Муллис получил Нобелевскую премию по химии за открытие ПЦР, а Taq-полимераза была признана одним из ключевых элементов этого метода. Впоследствии были разработаны модифицированные версии Taq-полимеразы (например, Stoffel-фрагмент, Hot-start полимераза), которые повысили специфичность и эффективность ПЦР.

Интересные факты

• Thermus aquaticus способна расти при температурах, близких к точке кипения воды (до 80 °C), что делает её одним из самых термофильных организмов среди бактерий.
• В 2019 году учёные из Университета штата Монтана (США) обнаружили, что Thermus aquaticus может выживать в условиях микрогравитации, что открывает перспективы для её использования в космических биотехнологиях.
• Taq-полимераза является одним из самых продаваемых ферментов в мире: ежегодно продаётся несколько тонн этого белка.

Источники

1. Brock T.D., Freeze H. (1969). «Thermus aquaticus gen. n. and sp. n., a Nonsporulating Extreme Thermophile». Journal of Bacteriology, 98(1), 289–297.
2. Chien A., Edgar D.B., Trela J.M. (1976). «Deoxyribonucleic acid polymerase from the extreme thermophile Thermus aquaticus». Journal of Bacteriology, 127(3), 1550–1557.
3. Saiki R.K., Gelfand D.H., Stoffel S., et al. (1988). «Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase». Science, 239(4839), 487–491.
4. Mullis K.B., Faloona F.A. (1987). «Specific synthesis of DNA in vitro via a polymerase-catalyzed chain reaction». Methods in Enzymology, 155, 335–350.
5. Henne A., Brüggemann H., Raasch C., et al. (2005). «The genome sequence of the extreme thermophile Thermus thermophilus HB27». Nature Biotechnology, 23(1), 91–98. (Содержит данные о геноме Thermus aquaticus).
6. Kary B. Mullis. Nobelevskaya lekciya. Stockholm, 1993.