В ферментах психрофилов содержатся специфические изменения в последовательностях аминокислот, меньшее число дисульфидных связей и солевых мостиков, в спиралевидных дипольных структурах -- меньшее число зарядов, чем у термофилов, характерно увеличение взаимодействий с растворителями, сниженное число водородных связей на интерфазах доменов и более низкая степень гидрофобных взаимодействий в коровой части белка (Russell, 2000). Эти модификации делают белки более гибкими в структурном отношении и каталитически более активными на холоде. Приведенные адаптации носят противоположный характер по отношению к тем, которые придают термостабильность белкам экстремальных термофилов.

Ферменты психрофилов практически интересны в связи с возможностью снижения расхода энергии. С такими ферментами, как дополнительными детергентами, возможна работа прачечных с использованием холодной воды.

В этой сфере обслуживания особый интерес представляют психро- фильные протеазы, амилазы и липазы. Древесная масса (пульпа) и целлюлозобумажная промышленность также заинтересованы в ферментах, деградирующих полимеры при низких температурах, как и некоторые типы процессингов пищи, например расщепление пектинов пектиназа- ми при процессинге фруктовых соков. Психрофильные метаногены могут быть использованы для очистки сточных вод и продукции метана при низких температурах.

Галоархейные экстремозимы. Две группы галофильных архей: аэробные галоархеи и анаэробные галофильные метаноархеи используют различные способы существования в солевых окружениях. Цитоплазма метаногенов содержит низкую концентрацию соли благодаря высокой концентрации осмолитов, а биохимические процессы у галофилов функционируют при концентрации соли, близкой к насыщению. Они аккумулируют NaCl или КС1 до концентраций изотонических или превышающих концентрации этих солей в окружающей среде, и ферменты галофилов функционируют и адаптированы к очень высоким концентрациям соли вследствие приобретения большого числа отрицательно заряженных аминокислотных остатков на поверхности белков, что предотвращает высаливание. В условиях с низкой концентрацией солей растворимость галофильных ферментов часто очень низкая, что создает определенные ограничения в их применении, но это свойство имеет преимущество при использовании этих ферментов в водно-органической и неводной средах. Например, внеклеточная протеаза Halobacterium halobium используется для активного синтеза пептидов в растворителе: вода / N'-N'-диметилформамид.

Галофильные археи представляют коммерческий интерес как источники бетаинов или эктоина -- стабилизирующих агентов, полимеров, используемых в производстве биодеградабельных пластиков, полисахаридов, солеустойчивых липидов (см. выше). Солеустойчивость бактери- ородопсина важна для его использования в галографических пленках и биоэлектронике. Ферменты галофилов длительное время сохраняют стабильность при температуре окружающей среды и часто проявляют значительную термоустойчивость. Как ранее отмечалось, каталитическая активность галоферментов сохраняется при низкой активности воды, например в присутствии большого количества органических растворителей.

Из штаммов рода Halococcus выделен новый рестрикционный фермент с необычайно высокой специфичностью. Химотрипсиногенподоб- ная протеаза получена из галоалкалофильного археона Natronomonas pharaonis. В отличие от многих протеаз, теряющих активность при низкой концентрации соли, протеаза N.pharaonis может функционировать при довольно низкой концентрации -- 3 ммоля, поэтому этот экстремо- зим наиболее интересен как дополнительный детергент. Недавно удалось использовать заключенную в обращенные мицеллы р-нитро-фе- нилфосфатазу из Halobacterium salinarium при очень низкой концентрации соли. В этих условиях фермент сохранял активность и стабильность. Такие же результаты получены с галофильной малатдегидрогеназой. Обращенные мицеллы в комбинации с галофильными ферментами открывают путь новым способам их практического применения.

Экстремозимы архейных пьезофилов. Пьезофильные (барофильные) микроорганизмы, включая термофильные и гипертермофильные архейные штаммы, обитают при давлении в среднем 38 МПа в водах мировых океанов. Высокие давления необходимы в различных отраслях промышленности, например, для процессинга и стерилизации пищевых продуктов.

Использование ферментов пьезофилов -- новая биотехнологическая альтернатива по отношению к традиционной. Высокое давление может оказывать влияние на активность ферментов. Гидрогеназы, глицеральде- гид-3-фосфатазы и а-глюкозидазы, полученные из клеток Methanococcus jannaschii и Mc.igneus, первоначально выделенных из глубины соответственно 2600 и 100 м проявляли более высокую активность при повышенном давлении. ДНК-полимераза из P.furiosus и Pyrococcus sp. также были стабилизированы при высоком давлении и повышенной температуре.

Получение ферментов из экстремофилов

Идентификация потенциально полезных ферментов служит только первым шагом на пути получения ценных ферментов. У идентифицированного фермента должны быть необходимые биокаталэтические свойства и он должен соответствовать требованиям практики.

Существует две стратегии для получения ферментов из экстремофилов: увеличение выхода биокатализатора оптимизацией условий для накопления биомассы продуцента; клонирование гена, кодирующего биокатализатор, и экспрессия его в подходящем хозяине.

Биокатализатор непосредственно из экстремофила часто получают на специальном оборудовании. Выход биомассы можно увеличить либо оптимизацией состава среды, либо варьированием специальных ферментационных процедур. Часто используют специальные биореакторы такие, как эйрлифтные ферментеры. Например, для получения полиглу- таминой кислоты при культивировании экстремальных галофиловдолжны быть разработаны специальные биореакторы, устойчивые к биокоррозии. Другое специальное требование к оборудованию может быть связано с необходимостью создания высоких давлений, требуемых для культивирования микроорганизмов, выделенных из морских глубин.

Биокатализатор может быть получен в условиях, не требующих специальной технологии для культивирования экстремофилов, если гены фермента клонировать в мезофильных хозяевах. Большую часть экстремо- фильных ферментов, которые нашли применение в промышленности, получают с использованием стандартных экспрессорных систем E.coli. Генетические «инструменты» для экспрессии продуктов в E.coli хорошо разработаны. В частности, получение термофильных ферментов сильно облегчается при денатурации большей части белков E.coli при коротком нагревании. Но образование инклузивных телец в клетках E.coli при сверхпродукции белка заставляет подыскивать других хозяев. Альтернативными хозяевами могут быть бактерии родов Bacillus, Pseudomonas, Lactobacillus, Lactococcus, а из системы эукарий -- дрожжи родов Pichia, Kluyveromyces, Candida и Hansenula. Необходимо учитывать специфику гетерологичной хозяйской системы. Например, если для получения активного фермента требуется его гликозилирование, то используют не бактериальный хозяин. В то же время для продукции внеклеточных ферментов хорошими хозяевами могут служить бактерии р. Bacillus.

Недостаток систем, основанных на бациллах, -- высокий уровень протеаз, образуемых хозяином, что часто приводит к деградации гетерологичного генного продукта. Разработана система на основе B.brevis, дефицитного по протеазе, в которой неплохо экспрессировались гетерологичные белки. Показано, что гетерологичная экспрессия гипертермофильных экстремозимов сохраняет их свойства при высоких температурах (за небольшим исключением). С помощью методов молекулярной биологии и молекулярной инженерии возможно увеличение продукции архейных экстремозимов в их собственных хозяевах.

Выделение новых штаммовю Менее 1% архейных штаммов относится к культивируемым и, следовательно, доступным для изучения. Поэтому овладение культивированием некультивируемых штаммов -- главная научная задача, для решения которой, в частности, необходимо изучение белок-транспортно- го аппарата. В отличие от хорошо изученного транспортного аппарата бактерий и эукариотов, архейная транслокация белков изучена еще недостаточно. Предполагают функционирование у архей гибридного процесса бактериально-эукариотной системы с элементами архейной специфики.

Проникновение в биохимию, генетику и физиологию архей только начинается. Поэтому, несмотря на огромный экономический потенциал экстремозимов, большая часть его еще не реализована.

10. Исследования по использованию архей

Электродные материалы на основе модифицированных жгутиков архей для литий-ионных аккумуляторов. С помощью метода генно-инженерной модификации жгутиков галофильных архей, разработанного Безносовым С.Н., возможно получение наноматериалов с разнообразными свойствами в зависимости от того, какое вещество способны связывать жгутики после модификации. Так, Безносовым С.Н. на основе модифицированных жгутиков галофильного археона H. salinarum был получен материал анода литий-ионного аккумулятора. Этот материал продемонстрировал повышенную разрядную емкость по сравнению с материалами, используемыми в настоящее время в промышленном производстве.

Одним из новых и крайне перспективных направлений в нанотехнологии и электрохимии является создание наноструктурированных гибридных материалов, в основе которых лежит генетически модифицируемый биополимер, минерализованный активным веществом электрода. Такой метод впервые был предложен американской исследовательницей Бэлчер из Массачусетского технического университета, которая в ходе своих экспериментов на основе генетически модифицированного вируса М13 получила материалы анода и катода литий-ионного аккумулятора. По своей удельной емкости (емкость на единицу массы аккумулятора) данные материалы обеспечили 2-3-х кратный рост по сравнению с материалами, используемыми на сегодня в промышленном производстве, при этом стоимость собранного из таких материалов аккумулятора должна возрасти не более чем на 50 процентов. Производство таких электродных материалов на основе вируса М13 может начаться в ближайшие несколько лет. В группе надмолекулярных белковых структур Института белка РАН был разработан метод модификации органелл движения архей - жгутиков и создания на их основе электродных материалов литий-ионного аккумулятора. Был создан опытный образец анода литий-ионного аккумулятора путем минерализации модифицированных жгутиков оксидом кобальта, который продемонстрировал повышенную емкость (примерно 500 мАч/г) по сравнению с используемым в промышленном производстве углеродным анодом (примерно 250 мАч/г, при теоретическом пределе в 372 мАч/г). Повышение удельной емкости примерно в 2 раза обеспечивается ростом стоимости не более чем на 50 процентов.

Практическая значимость. В настоящее время литий-ионные аккумуляторы широко используются в качестве источника энергии для различных электронных устройств. Прежде всего, для сотовых телефонов (45% продаж) и портативных компьютеров (40% продаж). Другим перспективным направлением является рынок аккумуляторов для гибридного транспорта. Для всех этих направлений крайне актуальным является наличие у аккумуляторов высоких технических показателей, в особенности высокой удельной емкости. Поэтому множество технических университетов и исследовательских лабораторий крупных мировых производителей электроники ведут интенсивные разработки по усовершенствованию имеющихся и поиску новых материалов для электродов литий-ионных аккумуляторов.

Изучение взаимодействия термофильных синтрофных бактерий и метаногенных архей в анаэробном микробном сообществе. Этот проект направлен на получение данных для разработки отсутствующей в России полномасштабной технологии термофильного сбраживания органической фракции твердых бытовых отходов (ТБО) с помощью метаногенного микробного сообщества с получением энергоносителя в виде метана и биоудобрений. Определены наиболее перспективные для запуска процесса термофильного сбраживания инокуляты (источники анаэробных бактерий и метаногенных архей), их оптимальное количество, разработан метод получения активного инокулята из грунта анаэробной зоны полигона захоронения ТБО. В настоящее время проводится изучение активных ассоциаций термофильных синтрофных бактерий и метаногенных архей с целью создания микробного биопрепарата для стабилизации работы термофильных биореакторов.

97% всех образующихся отходов в России утилизируются путем захоронения на специальных полигонах, которые загрязняют окружающую среду и вредят здоровью населения. Альтернативой такому способу утилизации отходов является их обработка в анаэробных реакторах, изолированных от окружающей среды, и поэтому не наносящих ей вреда. Технология анаэробного сбраживания органической фракции ТБО в России не применяется. Это связано с отсутствием технологии раздельного сбора мусора, высокими капитальными затратами на строительство специальных биореакторов, а также с отсутствием универсальной эффективной и экономически выгодной технологии утилизации органических отходов.

Несмотря на имеющуюся мировую практику, процесс метанового сбраживания отходов изучен недостаточно. В нем имеются «узкие места», нарушающие стабильность процесса. К ним относится стадия гидролиза биополимеров и, особенно, ступень разложения летучих жирных кислот (ЛЖК), которую осуществляют синтрофные бактерии и метаногенные археи. Нами был проведен продолжительный модельный эксперимент, позволивший изучить процесс анаэробного сбраживания органической фракции ТБО в различных условиях. Было показано, что для успешного запуска термофильного сбраживания органической фракции ТБО крайне важно создать высокую плотность анаэробных микроорганизмов в сбраживаемой смеси, прежде всего, синтрофных бактерий и метаногенных архей. Достаточное количество этих микроорганизмов позволяет избежать закисления среды биореактора в процессе его функционирования. Установлено, что в качестве активных инокулятов перспективно использовать уплотненные сброженные в метантенке осадки сточных вод. Нами была определена оптимальная доля инокулята для запуска термофильного процесса анаэробного сбраживания отходов. Также разработан метод получения инокулята из грунта анаэробной зоны полигона ТБО.

Практическая значимость. Разработка и внедрение технологии анаэробного сбраживания органической фракции ТБО позволит эффективно утилизировать образующиеся отходы, снизить количество биоразлагаемой органики на действующих полигонах захоронения ТБО, получить энергию в виде биогаза и качественное экологически и санитарно безопасное биоудобрение, а также значительно уменьшить отрицательное влияние полигонов на окружающую среду.

Возможна разработка стабилизирующего микробного препарата на основе активных ассоциаций термофильных синтрофных бактерий и метаногенных архей, что позволит значительно облегчить процесс вывода биореактора на рабочий режим и избежать закисления сбраживаемой смеси в процессе его функционирования.

Вывод

В данной курсовой работе я описывал микроорганизмы домена "Археи" и то как они используются в биотехнологии. Археи очень важны для природы и для ученых ведь только они могут жить в очень жарких или очень холодных условиях ,сохраняя свою жизнеспособность. Выполняя работу я узнал, что про археи известно очень мало и основные открытия в их области были сделаны в последние 10- 20 лет. Из-за этого неизвестны патогенные свойства архей , слабо изучено их влияние на людей и животных , но несмотря на это сейчас они весьма часто используются в средах где невозможна жизнь других живых существ . Использование архей сейчас экономически не выгодно, ведь, несмотря на явные преимущества их сложно культивировать в лабораториях , однако ,несмотря на это, проводится ряд исследований посвященных использованию архей в повседневной жизни. Археи ,на сегодняшний день, являются очень перспективными объектами для исследования ,ведь, даже то, что уже известно ученым, показывает серьезный потенциал для будущих исследований во многих областях науки

Список используемой литературы

1. Громов Б.В. Цианобактерии в биосфере // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. ¦ 9. С. 33-39.

2. Кнорре Д.Г. Биохимия нуклеиновых кислот // Там же. ¦ 3. С. 11-16.

3. Woese C.R., Kandler O., Wheelis M.L. Towards a Natural System for Organisms: Proposal for the Domains Archaea, Bacteria, and Eucarya // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1990. Vol. 87. P. 4576-4579.

4. Пиневич А. В. Микробиология. Биология прокариотов: Учебник. В 3 т. Том 1., 2-изд. -- СПб., 2007.

5. Воробьева Л.В. Археи: Учебное пособие для вузов. -- М.: Академкнига, 2007. -- 447 с.

6. Гусев М.В. Микробилогия: учебник для студентов биол. спец. ВУЗов/М.В. Гусев, Л.А. Минеева. - 6-е изд., стер. - М.: Изд. центр «Академия», 2006. - 464с.

7. Ленглер Й., Древс Г., Шлегель Г. Современная микробиология. Прокариоты: В 2-х томах. Пер. с англ. -- М.: Мир, 2005.

8. Нетрусов А.И. Общая микробиология: учебник для студентов ВУЗов/ А.И. Нетрусов, И.Б. Котова. - М.: Изд. центр «Академия», 2007. - 208с.

9. Определитель бактерий Берджи. В 2-х т. Т.2: Пер. с англ./ Под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита, Дж. Стейли, С. Уильямса. - М.: Мир, 1997. - 368 с.

10. Brocks JJ, Logan GA, Buick R, Summons RE; Logan; Buick; Summons (1999). «Archean molecular fossils and the early rise of eukaryotes». Science 285 (5430): 1033-

11. Chappe B, Albrecht P, Michaelis W; Albrecht; Michaelis (July 1982). «Polar Lipids of Archaebacteria in Sediments and Petroleums». Science217 (4554): 65-66

12. A. Kletzin, General Characteristics and Important Model Organisms, ASM Press, Washington, DC, USA, 2007, Archaea: Molecular and Cellular Biology, Edited by: R. Cavicchioli.

13. C. Schleper, G. Jurgens, and M. Jonuscheit, “Genomic studies of uncultivated archaea,” Nature Reviews Microbiology, vol. 3, no. 6, pp. 479-488, 2005.

14. M. Falb, F. Pfeiffer, P. Palm et al., “Living with two extremes: conclusions from the genome sequence of Natronomonas pharaonis,” Genome Research, vol. 15, no. 10, pp. 1336-1343, 2005.

15. C. Baker-Austin and M. Dopson, “Life in acid: pH homeostasis in acidophiles,” Trends in Microbiology, vol. 15, no. 4, pp. 165-171, 2007.

16. A. Sharma, Y. Kawarabayasi, and T. Satyanarayana, “Acidophilic bacteria and archaea: acid stable biocatalysts and their potential applications,” Extremophiles, vol. 16, no. 1, pp. 1-19, 2012.

17. W. D. Grant, “Life at low water activity,” Philosophical Transactions of the Royal Society B, vol. 359, no. 1448, pp. 1249-1266, 2004.

18. C. Ebel, L. Costenaro, M. Pascu et al., “Solvent interactions of halophilic malate dehydrogenase,” Biochemistry, vol. 41, no. 44, pp. 13234-13244, 2002.

19. M. Mevarech, F. Frolow, and L. M. Gloss, “Halophilic enzymes: proteins with a grain of salt,” Biophysical Chemistry, vol. 86, no. 2-3, pp. 155-164, 2000.

20. D. B. Wright, D. D. Banks, J. R. Lohman, J. L. Hilsenbeck, and L. M. Gloss, “The effect of salts on the activity and stability of Escherichia coli and Haloferax volcanii dihydrofolate reductases,” Journal of Molecular Biology, vol. 323, no. 2, pp. 327-344, 2002.

21. S. Hauenstein, C.-M. Zhang, Y.-M. Hou, and J. J. Perona, “Shape-selective RNA recognition by cysteinyl-tRNA synthetase,” Nature Structural and Molecular Biology, vol. 11, no. 11, pp. 1134-1141, 2004.

Размещено на Allbest.ru