Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины

Кафедра экобиотехнологии и биоразнообразия

Курсовая работа

1. Общая характеристика

2. Морфология архей

3. Экология архей

4. Взаимодействие с другими организмами

5. Мутуализм

6. Комменсализм

7. Типы архей

8. Характеристика типов архей

9. Применение архей в биотехнологии

10. Исследования по использованию архей

Вывод

Список используемой литературы

Одним из основных достижений биологии конца XX века явилось выявление трех эволюционных ветвей жизни, сформировавшихся на заре ее возникновения, - это домены бактерий, архей и эукариотов. Археи , как полагают, являются одними из самых древних организмов на Земле, и до последнего времени вопрос о точном времени их происхождения оставался открытым. На сегодняшний день самая старая находка датируется возрастом 2,71 - 2,65 миллиарда лет. Археи, несомненно, сыгравшие существенную роль в эволюции биосферы, и в наше время занимают в ней своеобразное место, обеспечивая прохождение определенных процессов круговорота веществ, являющегося необходимым условием ее существования. Археи чрезвычайно распространены в мире, но известно о них меньше, чем о бактериях. Характерные черты, заметные лишь учёным, делают археев абсолютно неповторимыми, чётко отличая их от всех прочих - бактерий, грибов, растений и животных. Вероятно, многие из этих микроорганизмов состоят из химических структур, неизвестных науке. Археи имеют важное промышленное значение , так как только они могут образовывать метан .

1. Общая характеристика

Археми (лат. Archaea от др.-греч. ?счб?пт «извечный, древний, первозданный, старый») -- домен живых организмов (по трёхдоменной системе Карла Вёзе наряду с бактериями и эукариотами). Археи представляют собой одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра, а также каких-либо мембранных органелл. Ранее археи объединяли с бактериями в общую группу, называемую прокариоты (или царство Дробянки (лат. Monera)), и они назывались архебактерии, однако сейчас такая классификация считается устаревшей[1]: установлено, что археи имеют свою независимую эволюционную историю и характеризуются многими биохимическими особенностями, отличающими их от других форм жизни. В настоящее время археи подразделяют на более чем 5 типов. Из этих групп наиболее изученными являются кренархеоты (лат. Crenarchaeota) и эвриархеоты (лат. Euryarchaeota). Классифицировать археи по-прежнему сложно, так как подавляющее большинство из них никогда не выращивались в лабораторных условиях и были идентифицированы только по анализу нуклеиновых кислот из проб, полученных из мест их обитания. Археи и бактерии очень похожи по размеру и форме клеток, хотя некоторые археи имеют довольно необычную форму, например, клетки Haloquadratum walsbyi плоские и квадратные. Несмотря на внешнее сходство с бактериями, некоторые гены и метаболические пути архей сближают их с эукариотами (в частности ферменты, катализирующие процессы транскрипции и трансляции). Другие аспекты биохимии архей являются уникальными, к примеру, присутствие в клеточных мембранах липидов, содержащих простую эфирную связь. Большая часть архей -- хемоавтотрофы. Они используют значительно больше источников энергии, чем эукариоты: начиная от обыкновенных органических соединений, таких как сахара, и заканчивая аммиаком, ионами металлов и даже водородом. Солеустойчивые археи -- галоархеи (лат. Haloarchaea) -- используют в качестве источника энергии солнечный свет, другие виды архей фиксируют углерод, однако, в отличие от растений и цианобактерий , ни один вид архей не делает и то, и другое одновременно. Размножение у архей бесполое: бинарное деление, фрагментация и почкование. В отличие от бактерий и эукариот, ни один известный вид архей не формирует спор. Изначально архей считали экстремофилами, живущими в суровых условиях -- горячих источниках, солёных озёрах, однако потом они были обнаружены в самых различных местах включая почву, океаны, болота и толстую кишку человека. Архей особенно много в океанах, и, возможно, планктонные археи являются самой многочисленной группой ныне живущих организмов. В наше время археи признаны важной составляющей жизни на Земле. Они играют роль в круговоротах углерода и азота. Ни один из известных представителей архей не является ни паразитом, ни патогенным организмом, однако они часто бывают мутуалистами и комменсалами. Некоторые представители являются метаногенами и обитают в пищеварительном тракте человека и жвачных, где они помогают осуществлять пищеварение. Метаногены используются в производстве биогаза и при очистке канализационных сточных вод, а ферменты экстремофильных микроорганизмов, сохраняющие активность при высоких температурах и в контакте с органическими растворителями, находят своё применение в биотехнологии.

Рис 1

Рис 2

2. Морфология архей

Среднии? диаметр клеток археи? 1 мкм, типичныи? для большинства известных прокариот. Клетки Nanoarchaeum equitans - самые маленькие среди археи?, диаметром до 0,4 мкм. Помимо обычных для прокариот форм клеток в виде кокков (в том числе, с выступами или с дольками) или палочек (прямых или спиралевидных), среди археи? также наи?дены клетки в виде почтовых марок и треугольников. Жгутики археи? могут располагаться на 1-2 полюсах клеток или по всеи? поверхности. Поскольку белок флагеллин, составляющии? основу жгутиков эубактерии?, неустои?чив в кислои? среде, то у археи? он замещается гликопротеинами, из которых состоят бактериальные пили. Собственно пили у археи? не описаны. В отличие от других микроорганизмов, археи в составе мембранных липидов имеют не жирные кислоты, а многоатомные спирты, обычно с 20 или 40 атомами углерода. В последнем случае липидная пластина мембраны образована мономолекулярным слоем, что придает мембране особую прочность. У археи? отсутствует пептидогликановая клеточная стенка, поэтому они устои?чивы к пенициллину. Над плазматическои? мембранои? они имеют слои? белков или гликопротеинов. Грамположительные археи характеризуются наличием псевдомуреина в стенках, в состав которого помимо N-ацетилглюкозамина, присутствующего и в эубактериальных муреиновых клеточных стенках, входит ранее неизвестная N-ацетилталозаминуроновая кислота. Однако при окрашивании псевдомуреин часто разрушается.

Поэтому лишь некоторые метаногены (в частности, Methanobacterium formicicum и терминальные пробки Methanospirillum hungatei) имеют грамположительную окраску Мембраны археи? отличаются от мембран клеток из других доминионов по 3 основным признакам: 1. L-изомер глицерина - вместо D-глицерина в мембранах бактерии? и эукариот; 2. Насыщенныи? полиизопрен - фитанил (3,7,11,15 тетраметилгексадесил) с 4 боковыми СH3-группами вместо неразветвле?нных жирных кислот длинои? 16-18 атомов углерода для ранее известных мембран; 3. Простые эфирные связи между L-глицерином и фитанилом, имеющие лишь один атом кислорода. В отличие от бактерии? в мембранах археи? и эукариот присутствует фосфатидилинозит. Как правило, археи имеют одиночную кольцевую хромосому, размер которой может достигать 5 751 492 пар нуклеотидов у Methanosarcina acetivorans, обладающей самым большим известным геномом среди архей.

Одну десятую размера этого генома составляет геном с 490 885 парами нуклеотидов у Nanoarchaeum equitans, имеющего самый маленький известный геном среди архей; он содержит лишь 537 генов, кодирующих белки. Также у архей обнаружены более мелкие независимые молекулы ДНК, так называемые плазмиды. Возможно, плазмиды могут передаваться между клетками при физическом контакте, в ходе процесса сходного с конъюгацией бактерий. Археи могут поражаться вирусами, содержащими двухцепочечную ДНК. Эти виды неродственны другим группам вирусов и имеют различные необычные формы, включая бутылки, крючки и капли. Эти вирусы были тщательно изучены на термофилах, в основном отрядов Sulfolobales и Thermoproteales. В 2009 году был открыт вирус, содержащий одноцепочечную ДНК и поражающий галофильные археи. Защитные реакции архей против вирусов могут включать механизм, близкий к РНК-интерференции эукариот. Археи генетически отличны от эукариот и бактерий, причём до 15 % белков, кодируемых одним геномом археи, уникальны для этого домена, хотя функции большинства этих белков неизвестны. Большая часть уникальных белков, функция которых известна, принадлежит эвриархеотам и задействована в метаногенезе. Белки, общие для архей, бактерий и эукариот, участвуют в основных клеточных функциях и касаются в основном транскрипции, трансляции и метаболизма нуклеотидов. К другим особенностям архей можно отнести организацию генов, выполняющих связанные функции (к примеру, гены, ответственные за разные этапы одного и того же метаболического процесса), в опероны и большие отличия в строении генов тРНК и их аминоацил-тРНК синтетаз. Археи размножаются бесполым путём: бинарным или множественным делением, фрагментацией или почкованием. Клеточное деление определяется клеточным циклом: после того, как хромосома реплицировалась и две дочерние хромосомы разошлись, клетка делится. Детали были изучены лишь у рода Sulfolobus, но особенности его цикла очень схожи с таковыми и у эукариот, и у бактерий. Репликация хромосом начинается с множественных точек начала репликации с помощью ДНК-полимеразы, похожей на аналогичные ферменты эукариот.

Однако белки, управляющие клеточным делением, такие как FtsZ, которые формируют сжимающее кольцо вокруг клетки, и компоненты септы, проходящей через центр клетки, схожи с их бактериальными эквивалентами. Археи не образуют споры. Некоторые виды Haloarchaea могут претерпевать смену фенотипа и существовать как клетки нескольких различных типов, включая толстостенные клетки, устойчивые к осмотическому шоку и позволяющие археям выживать в воде с низкой концентрацией соли. Однако эти структуры не служат для размножения, а скорее помогают археям осваивать новые среды обитания. Клетки некоторых видов архей могут объединяться в агрегаты и филаменты длиной до 200 мкм. Эти организмы могут формировать биоплёнки. В культурах Thermococcus coalescens клетки сливаются друг с другом, формируя одну крупную клетку. Археи рода Pyrodictium образуют сложные многоклеточные колонии, в которых клетки объединены с помощью длинных, тонких, полых трубок, называемых cannulae, которые выступают над поверхностями клеток и собирают их в густое кустовидное скопление. Функции этих трубок не ясны, но, возможно, они осуществляют коммуникацию и обмен питательными веществами между соседними клетками.

Сравнительная таблица архей и других доменов

3. Экология архей

Археи распространены повсеместно. Начиная от гидротермальных источников, кратеров вулканов и дна Северного Ледовитого океана и заканчивая столь уютным для них пищеварительным трактом людей и термитов. За счет различных путей метаболизма, археи являются важными членами многих экологических сообществ. Наиболее интересными с точки зрения метаболизма являются метаногенные археи, которые, как ни странно, являются единственным биологическим источником метана на земле. Считаются, что именно такой путь метаболизма использовался первыми организмами на Земле . Тесно взаимодействуя с разнообразием биологических видов, они совместно окисляют органику в анаэробных условиях. Важно, что синтрофическое питание необходимо для каждого из членов полимикробного сообщества, ведь в одиночку каждый вид не может использовать субстраты для роста ввиду термодинамических препятствий. Дело в летучих жирных кислотах (volatile fatty acids -- VFA) - ацетат, пропионат, бутират, которые являются нежелательными для анаэробов, поскольку их окислительный метаболизм до H2 и CO2возможен только при низком парциальном давлении H2 вне клетки. Именно за счет утилизации H2 и CO2 метаногенами в реакциях синтеза метана и поддерживается оптимальное давление водорода, что поддерживает метаболизм анаэробных бактерий на высоком уровне. Этим механизмом достигается сохранение энергии в сообществах и на нем же основан межвидовой транспорт водорода. Соответственно, антагонистические отношения складываются у Архей с другими потребителями H2 (в частности - Treponema spp., сульфат- и сероредуцирующие бактерии)

Таблица: типы питания архей

4. Взаимодействие с другими организмами

Метанообразующие археи вступают в симбиоз с термитами Хорошо изученные отношения между археями и другими организмами -- мутуализм и комменсализм. Пока не существует чётких доказательств существования патогенных или паразитических видов архей. Однако была предположена связь между некоторыми видами метаногенов и инфекциями полости рта. Кроме того, вид Nanoarchaeum equitans, возможно, является паразитом другого вида архей, поскольку он выживает и размножается только в клетках кренархеона Ignicoccus hospitalis и не приносит никакой очевидной выгоды своему хозяину. С другой стороны, архееподобные ацидофильные наноорганизмы Ричмондских рудников (англ. Archaeal Richmond Mine acidophilic nanoorganisms) (ARMAN) иногда прикрепляются к клеткам других архей в биоплёнках кислых сточных вод рудников. Природа этого взаимодействия не ясна, но, в отличие от случая Nanorchaeaum--Ignicoccus, сверхмелкие клетки ARMAN всегда остаются независимыми от клеток Thermoplasmatales.

5. Мутуализм

Одним хорошо понятным примером мутуализма является взаимодействие простейших и метанообразующих архей, обитающих в пищеварительном тракте животных, способных переваривать целлюлозу, таких как жвачные и термиты. В этих анаэробных условиях простейшие разлагают целлюлозу для получения энергии. В этом процессе в качестве побочного продукта освобождается водород, однако высокий его уровень сокращает получение энергии. Метаногены превращают водород в метан, и простейшие могут дальше нормально получать энергию. В случае анаэробных простейших вроде Plagiopyla frontata археи живут внутри клетки простейшего и потребляют водород, образуемый в его гидрогеносомах. Археи также взаимодействуют и с более крупными организмами. Например, морская архея Cenarchaeum symbiosum живёт внутри (как эндосимбионт) губки Axinella mexicana.

6. Комменсализм

Археи могут быть комменсалами, то есть существовать совместно с другим организмом, не принося ему ни пользы, ни вреда, но с выгодой для себя. К примеру, метаноген Methanobrevibacter smithii является наиболее типичным представителем архей в микрофлоре человека. Каждый десятый прокариот в человеческом пищеварительном тракте принадлежит к этому виду. В пищеварительном тракте термитов и человека эти метаногены в действительности могут быть мутуалистами, взаимодействущими с другими микробами пищеварительного тракта и способствующими пищеварению. Археи также взаимодействуют с другими организмами, к примеру, живут на внешней поверхности кораллов и в части почвы, прилегающей к корням растений (ризосфере)

7. Типы архей

· Crenarchaeota(Креноархеоты) -- термофилы, термоацидофилы, серные анаэробные бактерии;

· Euryarchaeota (Эвриархеоты) -- метаногенные и галофильные археи;

· Nanoarchaeota (Наноархеоты) -- единственный известный представитель Nanoarchaeum equitans;

· Korarchaeota (Корархеоты)-- ДНК обнаружена в геотермальных источниках США, Исландии, на рисовых полях Японии, культивируемые виды пока неизвестны;

· Thaumarchaeota (Таумархеоты)-- в основном окислители аммония, как например, морской аммоний-окислитель Nitrosopumilus maritimus и аммоний-окислитель преимущественно почвенного происхождения Nitrososphaera gargensis. Недавние филогенетические исследования, основанные на сравнительном анализе структур рибосомальных белков и других важнейших генов, подтвердили существование типа Таумархеот. Был выделен в 2008 году

· Иногда выделяют также шестой тип -- Aigarchaeota(Аигархеоты) к которому относится единственный вид Caldiarchaeum subterraneum.

В мае 2015 года были опубликованы результаты исследования, предлагающего выделение нового типа архей -- Lokiarchaeota (Локиархеоты) с предполагаемым родом Lokiarchaeum. Он был выделен на основании генома, собранного при метагеномном анализе образцов, полученных рядом с гидротермальными источниками в Атлантическом океане на глубине 2,35 км. Филогенетический анализ показал, что Lokiarchaeota и эукариоты образуют монофилетический таксон. Геном Lokiarchaeota содержит около 5400 генов, кодирующих белки. Среди них были обнаружены гены, близкие к генам эукариот. В частности, гены, кодирующие белки, отвечающие за изменение формы клеточной мембраны, определение формы клетки и динамический цитоскелет. Результаты этого исследования служат подтверждением так называемой двухдоменной, или эоцитной гипотезы, согласно которой эукариоты появились как особая группа внутри архей, близкая к Lokiarchaeota и приобретшая митохондрии в результате эндосимбиоза, . В январе 2016 года были опубликованы результаты метагеномных исследований по реконструкции геномов архей из морских осадочных отложений, которые свидетельствуют об обнаружении нового типа архей -- Thorarchaeota (Торархеоты). Организмы этой группы способны к образованию ацетата при деградации белков. Они также имеют гены, необходимые для восстановления элементарной серы и тиосульфата, поэтому эти организмы участвуют в круговороте серы В итоге к настоящему времени известны 8 типов архей. Однако хорошо изучено лишь 2 из них : кренархеоты и эвриархеоты

8. Характеристика типов архей

1. Crenarchaeota(Креноархеоты) -- термофилы, термоацидофилы, серные анаэробные бактерии Включает 28 родов, относящихся к одному классу - Thermoprotei. Окраска по Граму: отрицательная. Морфология клеток у них разнообразна - палочки (Thermoproteus), нити, кокки (Desulfococcus, Sulfolobus), дисковидные клетки, подвижные либо неподвижные. Физиологические группы: хемоавтотрофы, хемогетеротрофы. В основном отдел включает серозависимые прокариоты. В анаэробных условиях восстанавливают элементарную серу (S0) до сероводорода. В аэробных условиях окисляют сероводород или S0 до серной кислоты. Отношение к кислороду: Строгие анаэробы, факультативные анаэробы, аэробы. Отношение к температуре: в основном гипертермофилы. Способны расти при температурах, в зависимости от вида, в интервале 70-133С. Основной тип местообитаний - морские гидротермальные экосистемы. Характерные представители: Thermoproteus, Sulfolobus (кокки неправильной угловатой формы), Desulfococcus.

2. Euryarchaeota (Эвриархеоты) -- метаногенные и галофильные археи Эти организмы распространены повсеместно. Некоторые формы являются экстремально термофильными и живут около "черных курильщиков", Это, например, Pyrococcus furiosus ("яростные огненные шарики"). "Шарики" развиваются при отсутствии молекулярного кислорода за счет использования органического вещества при температурах 70-103°С. Однако представители эвриархеот обнаружены и в арктической тундре и даже Антарктиде. К эвриархеотам относится обширная группа метанобразующих архей . Биологическое образование метана осуществляется только археями . Основным путем образования метана является окисление молекулярного водорода углекислотой - "карбонатное дыхание".

В некоторых случаях могут быть использованы соли муравьиной и уксусной кислот, метиловый спирт и метиламины. Таким образом эти археи получают необходимую им энергию. Среди метанобразующих архей есть формы палочковидные, кокки (шарики), спиральные формы, иногда - организм образован одной клеткой, иногда многими. Строение и состав клеточных стенок очень варьируют. Метанобразующие археи широко распространены, 1,0-1,5% углерода, участвующего в круговороте углерода в биосфере, проходит через стадию метана. При образовании метана может быть использован водород вулканического происхождения. Существуют экстремально термофильные формы, развивающиеся в зонах горячих источников. Это, например, Methanothermus fervidus, растущий при температурах 65-97°С. Образование метана происходит в осадках морей и пресноводных водоемов, болотах, почвах тундры и рисовых полей. Метанобразующие археи входят в состав кишечной микрофлоры, в частности они развиваются в отделе желудка - рубце жвачных животных. Накопление метана, хотя и незначительное, отмечено и в кишечнике человека. Метанобразующие бактерии интенсивно синтезируют витамин В12 и обеспечивают им своих хозяев. Метанобразующие бактерии являются внутриклеточными симбионтами некоторых простейших, особенно развивающихся при отсутствии молекулярного кислорода. Метанобразующие археи могут приносить практическую пользу. Так, существуют методы утилизации органических отходов в так называемых метантенках. В метантенках при высокой температуре и отсутствии молекулярного кислорода происходит сбраживание органических веществ разнообразной микрофлорой, в результате чего образуются водород и углекислота, которые и используются археями при образовании метана. Благодаря высокой температуре процессы идут с высокой интенсивностью. В литературе сообщалось, что от трупа лошади, помещенного в такой метантенк, через неделю остался один скелет. Были сконструированы также установки для получения горючего газа - метана из соломы, что, как предполагают, может обеспечить газом небольшие сельскохозяйственные поселения. Экстремально галофильные, способные к росту в насыщенных солевых растворах археи образуют самостоятельную группу весьма своеобразных организмов, к которым относятся представители родов Halobacterium, Halococcus, Natronobacterium, Natronococcus и некоторых других. Они развиваются при концентрациях солей, превышающих 250-300 г/л. Natronobacterium и Natronococcus, кроме того, предпочитают щелочные водоемы с крайне высокими значениями рН.

Внутриклеточная солевая концентрация у галофилов высока, главным образом за счет накопления ионов К+. Их ферменты работают при высоких солевых концентрациях, при которых аналогичные ферменты других организмов теряют активность. Галофилы существуют за счет использования органических соединений, они могут расти в присутствии молекулярного кислорода и без него. При отсутствии молекулярного кислорода и наличии света у них происходит образование так называемых пурпурных или фиолетовых мембран - это участки поверхностной мембраны клетки, содержащие пигмент родопсин, аналогичный родопсину человеческого глаза. В пурпурных мембранах за счет энергии света происходит синтез АТФ (аденозинтрифосфата), являющегося основным носителем энергии в клетках живых организмов. Эта энергия может быть использована археями для поддержания жизни, хотя существовать исключительно за счет световой энергии они не могут. Клетки некоторых галофилов содержат также другие типы родопсина - сенсорный родопсин I и II, входящий в состав рецептора света и обеспечивающий способность этих организмов при движении определенным образом ориентироваться в отношении источника света. Клетки галофилов обычно содержат также красные каротиноидные пигменты, при их массовом развитии субстрат (соль, скопления органики и т.п.) окрашивается в красный цвет. Галофилы населяют соляные озера, например Мертвое море. Мертвое море - озеро на территории Израиля и Иордании, вода которого насыщена солями. Думали, что в нем нет никакой жизни, но оказалось, что Мертвое море населено археями . Археи обнаружены в соляных озерах США, Кении, в солярнах (мелких водоемах для выпаривания морской воды и получения соли). Соляные озера на юге России тоже заселены галофильными археями . Особую группу эвриархеот составляют кислотолюбивые археи, использующие для жизни органические соединения. Сюда относятся так называемые термоплазмы, развивающиеся в горячих и кислых вулканических источниках и лишенные клеточной стенки. Окружающая их клетки цитоплазматическая мембрана, как очевидно, обладает удивительной устойчивостью. Еще более кислотолюбив Picrophilus, что в переводе означает кислотолюб. Эта архея растет только при значениях рН ниже 2,2 и даже при рН около 0. Развивается она при температуре 50-55°С. Клетки этой археи , кроме цитоплазматической мембраны, окружены структурированным слоем белковых субъединиц, что, характерно для многих архей . Нужно иметь в виду, что раствор, в котором живут эти организмы, попав на кожу человека, неизбежно вызовет сильный ожог, а на платье образует дырку. Изучение архей приносит все новые свидетельства удивительной способности живых организмов приспосабливаться к существованию в условиях, казалось бы для жизни непригодных.

3. Nanoarchaeota (Наноархеоты) -- единственный известный представитель Nanoarchaeum equitans; Наноархеомты[1] -- тип архей, выделенный в 2002 году. Некоторое время единственным видом, входящим в состав этого типа, был Nanoarchaeum equitans. Его представители могут развиваться только в сокультуре с хемолитоавтотрофными археями одного из видов рода Ignicoccus[en], что является уникальным явлением для архей. Обычно отношения двух видов архей рассматривают как симбиотические, однако существуют свидетельства и в пользу паразитизма Nanoarchaeum на Ignicoccus. В 2013 году появилось сообщение об обнаружении второго вида наноархеот -- Nanobsidianus stetteri Наноархеоты населяют различные среды обитания, помимо морских гидротермальных источников. В ходе изучения праймеров к гену 16S рРНК N. equitans было показано, что данный вид широко распространён в наземных горячих источниках, а также мезофильных местообитаниях с повышенной солёностью. Последовательности генов рРНК N. equitans были также обнаружены в образцах воды из эвфотической зоны, взятых на значительном расстоянии от гидротермальных источников. Таким образом, наноархеоты могут обитать при различных температурах и в геохимически разнообразных средах. Несмотря на недавнее открытие Nanobsidianus stetteri, Nanoarchaeum equitans по-прежнему остаётся единственным видом наноархеот, который удаётся выращивать в культуре (совместно с клетками Ignicoccus).

4. Lokiarchaeota (Локиархеоты) - предполагаемый тип архей. Тип был описан в 2015 году на основании генома, собранного при метагеномном анализе образцов, полученных рядом с гидротермальными источниками в Атлантическом океане на глубине 2,35 км. Филогенетический анализ показал, что Lokiarchaeota и эукариоты образуют монофилетический таксон. Геном Lokiarchaeota содержит около 5400 генов, кодирующих белки. Среди них были обнаружены гены, близкие к генам эукариот. В частности, гены, кодирующие белки, отвечающие за изменение формы клеточной мембраны, определение формы клетки и динамический цитоскелет. Таким образом, находит своё подтверждение эоцитная гипотеза, согласно которой эукариоты представляют собой группу внутри архей, приобретшую митохондрии.

5. Thorarchaeota (Торархеоты) -- предполагаемый тип архей, выделение которого было предложено в 2016 году на основании метагеномного анализа донных осадков из эстуарной зоны реки White Oak River в Северной Каролине (США). Представители группы способны выделять ацетат при деградации белков и, по-видимому, восстанавливать элементарную серу и тиосульфат. Филогенетический анализ указывает на древность и широкое распространение архей типа. Название группы отражает близость её к другой древней группе архей -- Lokiarchaeota.

Рис 1 : Кренархеоты

Рис 2 :Эвриархеоты

9. Применение архей в биотехнологии

микроорганизм архея биотехнология

В настоящее время некоторые метаболиты архейного происхождения нашли применение или рекомендованы для практического использования. Внеклеточные полисахариды галофилов облегчают добычу нефти, а выделяемые клетками галоархейные полимеры (полиалканоаты) рассматривают как сырье для производства биодеградабельных пластиков и материала для хирургии. Метаногены в ряде стран используют для получения биогаза из возобновляемых субстратов с одновременным удалением бытовых, городских и сельскохозяйственных отходов. Ацидофильные археи, способные к окислению сульфидных минералов, играют важную роль в геохимическом цикле серы и рекомендованы для использования в биометаллургии для выщелачивании бедных руд при добыче ценных металлов. Sulfolobus.acidocaldarius предлагают использовать для десульфуризации каменных углей, содержащих FeS2, и удаления из углей серосодержащих (тиофеновых) соединений. Гликопротеиновые S-слои и бактериородопсин галофилов, способные к самосборке, интересны для нанотехнологических процессов. Липосомы, образованные из исключительно стабильных липидов архей, позволили создать новую систему иммунных адьювантов. Невосстанавливающий дисахарид трегалоза широко используется в различных областях промышленности. Получают его из дрожжей. Как источник продукта для промышленного синтеза трегалозы интерес представляет S.shibata. Преимущество ферментов экстремофилов состоит в их высокой стабильности и пониженном риске заражения. Они могут заполнить пропасть между биологическими и химическими процессами. По сравнению с катализаторами ферменты часто имеют большую специфичность, которая позволяет получать определенные стереоизомеры, биокатализ протекает с более низким числом побочных реакций и меньшим загрязнением окружающей среды.

Уже идентифицировано более 3 тыс. различных ферментов, и некоторые из них нашли применение в биотехнологии и промышленности:

Но многие доступные ферменты не выдерживают условий проведения реакций в промышленных масштабах. Поэтому интерес представляют микроорганизмы, живущие в экстремальных условиях, как источники новых экстремофильных ферментов или экстремозимов.

Процессинг минералов

В ряде стран (Австралии, Бразилии, Южной Африке, Ганне) в последние десятилетия налажен процессинг минералов в биореакторах с использованием железо и сероокисляющих бактерий. Процессинг предусматривает выделение золота из сульфидных руд (арсенопирита, FeAsS2, пирита, FeS2, пиррхотита, Fe7S8) биоокислением с последующей очисткой золота методом цианидирования. На самых больших заводах обрабатывается около 1000 т в день тугоплавких концентратов золота с использованием смешанной культуры мезофильных или, в некоторых случаях, термофильных бактерий при температуре 40 °С. Ацидофильные бактерии задействованы в промышленности биовыщелачивания менее дорогих металлов: меди и никеля. Археи представляют интерес для выделения меди из халькопирита (CuFeS2), который среди других минералов отличается наибольшей устойчивостью к растворению. Окисление Fe+2 -- ключевая реакция при растворении промышленных минеральных сульфидов ацидофилами, которая у термофильных архей происходит с более высокими скоростью и эффективностью, так как при повышенной температуре диффузия ионов усиливается.

В процессе выщелачивания температура повышается вплоть до 80 °С, но при использовании гипертермофильных архей охлаждения не требуется, что делает процесс энергосберегающим.

Среди архей окисление минералов осуществляют Ferroplasma acidophilus, Sulfolobus metallicus (оптимальная активность при 70 °С), Metallosphaera sedula, Acidianus brierley, но наиболее быстрое окисление пирита и наиболее эффективную экстракцию меди из халькопирита при 80--85 °С выполняет охарактеризованная смешанная культура Sulfolobus-подобных организмов. S. acidocaldaricus предлагают использовать в биометаллургии для выделения золота и других редких металлов из сульфидных руд. Преимущество этого археона перед ацидофильными тионовыми бактериями состоит в следующем: выделение металлов из минеральных сульфидов лучше происходит при повышенной температуре -- 60 °С; не требуется охлаждения реактора, что позволяет сберегать энергию; S.acidocaldaricus отличает высокая устойчивость к металлическим ионам: археон устойчив при содержании 25--30 г/л ионов меди (при окислении халькопирита), в то время как устойчивость другого археона -- Metallosphaera sp., ограничена 5 г/л меди; увеличенный выход продукта и степень деградации некоторых минеральных сульфидов.

Десульфуризация выхлопных газов

На мощных заводах или химических предприятиях в ряде технических процессов непосредственно задействованы культуры живых гипертермофилов. В частности, гипертермофильные автотрофные сульфитредукторы используют для десульфуризации выхлопных газов. В этом процессе S02 вначале вымывается из газовой смеси, затем восстанавливается до H2S в анаэробном реакторе гипертермофилом, например Archaeglobus veneflcus, в присутствии Н2 или метанола как доноров электронов. Во втором аэробном реакторе H2S окисляется и получают высоко очищенный ценный конечный продукт -- элементарную серу, в то время как при стандартном процессе десульфурикации газов образуется гипс, который вследствие содержания тяжелых металлов является отходом производства .

Получение биогаза из возобновляемых субстратов

В процессе метаногенеза на Землю возвращается почти 80% энергии заключавшейся в окисленном субстрате, а остаток после метаногенеза служит хорошим калийным, азотным и фосфорным удобрением. Продукт, получаемый на основе метанового брожения, имеет еще одно преимущество: он не содержит болезнетворных микроорганизмов, поскольку они погибают в процессе метаногенеза. Только переработка отходов сельского хозяйства может дать такое количество метана, которого достаточно для получения 10% всей потребляемой на Земле энергии.

В Китае работают более одного миллиона биогазовых установок, в Индии -- более 100 тыс. гобар-заводов («гобар» на языке хинди означает навоз) и в ближайшие годы там собираются ввести в действие еще 500 тыс. таких установок. Это не удивительно, если учесть, что в Индии живет 20% мирового поголовья коров и буйволов. Процесс образования метана из отходов животноводства происходит значительно интенсивнее при внесении предварительно адаптированной закваски, представляющей собой термофильную ассоциацию метаносарцин -- Methanosarcina mazei и Methanosaeta thermophila, и дополнительного количества ацетата. Температурный оптимум термофильной ассоциации -- 52 °С.

При превращении ацетата в метан выделяется только 32 кДж/моль СН4, поэтому клетки для получения необходимой энергии деградируют ацетат в больших количествах. Это -- стратегия природы для удаления огромных запасов ацетата, который образуется при анаэробном разложении органических веществ. Существенно, что СН4 может образовываться в условиях, субоптимальных для роста, это значит, что метаногенез может быть и не сопряжен с ростом культуры.

В МГУ на кафедре химической энзимологии разработан экономический способ получения метана из биомассы с увеличенной в 50--100 раз производительностью благодаря использованию биокатализаторов. Предполагается, что через 5--7 лет внедрение новой технологии позволит получать половину топлива, необходимого для городского транспорта.

Термоархейные экстремозимы

Одна из важнейших проблем, связанных с применением ферментов, -- это их нестабильность, и использование архейных ферментов позволяет эту проблему решить. Гипертермофилы привлекают большое внимание как источники ферментов, поскольку обитают при высокой температуре и их ферменты функционируют при тех же температурах, проявляя при этом высокую термостабильность, устойчивость к действию детергентов, окислителей, протеаз.

Молекулярные свойства экстремозимов, обусловливающие их устойчивость к экстремально высоким температурам, закодированы генетически: в белках увеличено число солевых мостиков, водородных связей, усилены гидрофобные взаимодействия, повышена гидрофобность белкового кора, имеются дополнительное спаривание ионов и замещения выступающих термолабильных аминокислот. Это увеличивает термальную стабильность, ригидность и устойчивость ферментов к химической денатурации. Экстремозимы получают из экстремальных или гипертермофильных организмов. Сложность культивирования гипертермофилов связана с тем, что их метаболизм основан на восстановлении элементарной серы до сероводорода. Поэтому используются специальное оборудование и условия для выращивания.

Больше всего изучались экстремозимы из рр. Pyrococcus и Thermococcus, которые могут расти в отсутствие серы.

Алкогольдегидрогеназы

Ферменты кальдерных архей представляют интерес для органической химии. Хиральные спирты, применяемые в фармацевтике, получают при восстановлении соответствующих кетонов и альдегидов, используя для этого ферменты, выделенные из бактериального штамма Thermoanaerobacter sp. Алкогольдегидрогеназы подвергаются денатурации, если концентрация растворителей (спирта, альдегида или кетона) превышает 10% при температуре выше 35 °С.

Ферменты, выделенные из Sulfolobus sp., отлично работают при более высоких температуре и концентрации растворителя. Некоторые реакции в органическом синтезе лучше протекают и направлены в сторону синтезируемого продукта в органическом растворителе при низком содержании воды. Это, например, касается эстеразных и трансэстеразных реакций.

Гликозилгидролазы

В промышленности особое значение имеют экстремофильные протеазы, липазы и ферменты, деградирующие полимеры такие, как целлюлазы, хитиназы и амилазы. Эти ферменты гидролизуют гликозидные связи между двумя или большим числом углеводов или между углеводом и неуглеводным ядром. Их подразделяют на гликозилгидролазы, расщепляющие крахмал (а-1,4 и а-1,6-гликозидные связи), ксилан или целлюлозу -- полимеры, содержащие (3-1,4-гликозидные связи.

Ферменты, расщепляющие крахмал

При расщеплении крахмала под действием а-амилазы образуются глюкоза и олигосахариды. Оптимальная температура для действия а-амилазы Rfuriosus и P.woesi -- 100 °С. В отличие от мезофильных амилаз, а-амилаза указанных архей не требует присутствия Са. а-Амилаза из P.furiosus клонирована, секвенирована и экспрессирована в E.coli и Bacillus subtilis. Thermococcus profundus образует S- и L-амилазы. Оптимальная температура для первого фермента -- 80 °С. Для его стабилизации при повышенной температуре требуется Са+2. Амилаза L проявляет высокую активность в кислых условиях. а-Амилазы из архей порядка Thermoproteales, Thermococcales и Ryrodictiales термостабильны в отсутствие Са+2 или субстрата. Ферменты гипертермофильных и термофильных архей, деградирующие крахмал.

Пуллуланазы

Пуллуланазы типа II гидролизуют а-1,4- и а-1,6-гликозидные связи в разветвленных участках полимеров. Пуллуланазы типа I расщепляют а-1,6-гликозидные связи и у архей встречаются редко. Пуллуланаза типа II у P.woesi и R.furiosus наиболее термоактивны среди других описанных ферментов. Очищенный рекомбинантный белок P.woesi наиболее эффективно работает при 100 °С, pH 6 и его активность увеличивается при добавлении кальция или восстановленных агентов.

а-Глюкозидазы

Фермент включается на конечной стадии деградации гликогена, отщепляя терминальные остатки глюкозы. а-Глюкозидаза, выделенная из S.solfataricus, очищена. Температурный оптимум для этого фермента -- 105 °С, что на 20 °С выше оптимальной температуры роста штамма. Профиль термальной активности и субстратной специфичности фермента указывает на отличие от соответствующего аналога у P.furiosus. Из Thermococcus sp. выделена и очищена внеклеточная а-глюкозидаза.

Ксилан-деградирующие ферменты

Ксиланы -- гетерогенная группа полисахаридов; главная цепь молекулы которых состоит из Р-1,4-связанных)-ксилопиранозильных субъединиц. Термостабильные ксиланазы представляют интерес для процесса отбеливания бумаги, как альтернатива традиционной техники, применяющей для этой цели хлор. Деградацию непредобработанного ксилана осуществляют P.furiosus, Thermococcus sp. и Th.zilligii.

Ферменты, деградирующие целлюлозу

Целлюлоза -- наиболее широко распространенный природный полимер на Земле. Ее молекула может содержать до 14 тыс. глюкозных остатков, связанных Р-1,4-связями. Целлюлазы распространены широко среди грибов и бактерий, но имеется лишь одно сообщение о наличии архейной целлюлазы (эндоглюконазы) у археона P.furiosus, хотя р-гликозидные ферменты содержат многие термофильные и гипертермофильные археи.

У P.furiosus, выращенного в среде с целлобиозой (продукта расщепления целлюлозы), Р-глюкозидаза составляет до 5% всех белков клетки, Термостабильные р-глюкозидазы обнаружены также у различных штаммов порядка Sulfolobales , хотя физиологическая роль фермента непонятна.

Протеиназы

Среди ферментов протеазы имеют самое большое коммерческое значение. Их производят на много больше, чем других ферментов. Из термофильных и гипертермофильных архей выделены различные протеазы, главным образом серинового типа. Во многих случаях эти ферменты сохраняют каталитическую активность не только при высокой температуре, но и в присутствии детергентов или других денатурирующих агентов. У Desulfurococcus, штамм SU, обнаружена связанная с клеткой сериновая протеаза со временем полураспада 4,3 ч при 95 °С. Исключительно термоустойчивая сериновая протеаза из Staphylothermus marinus сохраняет каталитическую активность даже после 10 мин нагревания при 135 °С (Мауг, 1996). Протеазы субтилизинового типа обнаружены у Pyrobaculum aerophilum (аэролизин) и P.furiosus (пирролизин). Пирролизин сохраняет активность после 20 мин нагревания при 105 °С. Р. furiosus содержит, по крайней мере, 13 различных белков с протеолитической активностью, в том числе пролилэндопептидазу (новый тип протеаз), которая клонирована и сверхэкспрессирована в E.coli. Из S.acido- caldaricus выделена, идентифицирована и клонирована кислая протеаза; в экстрактах клеток S.solfataricus обнаружена карбоксипептидазная активность. Для биотехнологического производства особый интерес представляет протеаза, выделенная из аэробного гипертермофила Aeropyrum pemix К1. На сегодня это наиболее термостабильная внеклеточная металлопротеаза с температурным оптимумом 90 °С и временем полураспада 12 мин при 110 °С. Штамм-продуцент растет при 90 °С со временем генерации 200 мин.

Ферменты для процессинга ДНК

Термофильные ДНК-полимеразы служат основой полимеразной цепной реакции при амплификации ДНК. Vent-полимераза Tc.litoralis, ДНК-полимераза из Thermococcus sp., штамм 9 совершают в 5--10 раз меньше ошибок, чем широко используемая Taq-полимераза Thermus aquatic us. Наибольший интерес представляет ДНК-полимераза Pyrococcus sp. штамм KOD1, которая при ничтожном количестве ошибок обладает высокими процессивностью и скоростью удлинения фрагмента. ДНК-полимераза Tc.litoralis -- первый пример архейного интейна транслирующего белковую последовательность, но в конечном продукте не присутствующего. Способ очистки белков с использованием интейнов рекомендуют применять для биотехнологических целей.

Археи служат также источником ДНК-лигазы (см. выше). Фермент идентифицирован у Desulfurolobus (Acidianus) ambivalens. ДНК-лигаза из T.kodakaraensis KOD1 клонирована, секвенирована; получен очищенный рекомбинантный фермент, проявляющий лигазную активность в диапазоне температур от 30 до 100 °С. Фермент ATP-зависим (может функционировать и с NAD+ в качестве донора АМР) и катализирует лигирование только «правильных» субстратов.

У Thermoplasma acidophilus обнаружена термостабильная пирофосфатаза, которая нашла применение при изучении ДНК-последовательностей.

Эстеразы применяют в различных промышленных процессах, число которых выросло в связи с открытием термостабильных эстераз, для стереоспецифического гидролиза, трансэстерификации, синтеза эстеров и в других реакциях органического синтеза. Эстераза, выделенная из гипертермофильного археона, дает возможность осуществлять реакцию при высокой температуре, что позволяет увеличить растворимость субстрата и продукта и использовать более высокие концентрации растворителей эстеразы. Те же преимущества дает использование трансэстераз гипертермофилов с целью получения эфиров с новыми радикалами. Очищенная эстераза SMcidocaldaricus термоустойчива в органических растворителях. Ген эстеразы P.furiosus, клонирован и экспрессирован в E.coli; рекомбинантный белок является наиболее термостабильной и термоактивной эстеразой из известных. Период полураспада фермента составляет 50 мин при 126 °С.

Хитиназы. После целлюлозы хитин занимает второе место на Земле по своему распространению. Т. chitinophagus -- первый археон, у которого обнаружены хитиназы и N-ацетилглюкозаминидазы, вовлекаемые в деградацию хитина.

Психрофилы и психрофильныеэкстремозимы. Места обитания организмов с высокой температурой не являются широко распространенными на Земле, в противоположность постоянно холодным местам.

Большая часть микроорганизмов, выделенных из холодных мест, относится к психротолерантным (их также называют психротрофными) и психрофильным. Первые хорошо растут при температуре, близкой к температуре замерзания воды, но самую высокую скорость роста имеют при температуре выше 20 °С, а психрофильные микроорганизмы быстрее всего растут при 15 °С или ниже и не могут расти при температуре выше 20 °С Археи обитают во многих водоемах с низкими температурами. В планктоне Тихого океана , взятого с глубины 100 и 500 м, присутствуют различные архейные штаммы. Археи составляют более 1/3 прокариотной биомассы береговых антарктических вод, включая членов царства Crenarchaeota. Кренархеотный штамм Cenarchaeum symbiosum живет как симбионт в морской губке и растет при 10 °С. Из царства эвриархеот изолированы три штамма свободно живущих психрофильных архей: Methanococcus burtonii (минимальная температура - минус 2,5 °С, оптимальная -- 23 °С), Methanogenium frigidum (минимальная температура -- минус 10 °С, оптимальная -- 15 °С), первоначально выделенные со дна Ледяного озера Антарктиды, насыщенного метаном, и галофильный археон -- Halorubrum lacusprofundi (минимальная температура -- 2 °С, оптимальная -- 33 °С), тоже выделенные в Антарктиде. Изучение ферментов этих видов только начинается. Показано, что Mc.burtonii при росте при низких температурах аккумулирует К-аспаргат, что приводит к снижению величины Кт для связывания GTP фактором элонгации 2 (EF-2). Холодоактивные гены архей экспрессированы в E.coli и получены рекомбинантные продукты. Особенности ферментов психрофилов