Deinococcus radiodurans — radijacijai atspari bakterija ir DNR taisymo sistema

Deinococcus radiodurans — ekstremaliai radijacijai atspari bakterija: unikalūs DNR taisymo mechanizmai, genetinės taikymo galimybės ir potencialas kuriant atsparias kitas rūšis.

Deinococcus radiodurans yra gramteigiama, nejudri, raudonai pigmentuota bakterija, atrasta 1956 m. kaip apšvitintos mėsos konservų užkratas. Jos pavadinimas reiškia „spinduliuotę atlaikantis grūdelis“ (iš graikų deino–„baisus/stiprus“ ir lot. radiodurans – „atsparus spinduliams“). D. radiodurans dažnai susidaro tetradomis (po keturias ląsteles) ir turi neįprastą ląstelės sienelę — nors tradiciškai laikoma gramteigiama, jos membranos sandara primena tiek gramteigiamų, tiek gramnagrumtinių bakterijų bruožus. Ji pasižymi ryškiu karotinoidų pigmentu (deinoxanthin), kuris prisideda prie apsaugos nuo oksidacinio streso.

Radijacijos atsparumo mechanizmai

Deinococcus radiodurans turi labai išvystytas DNR taisymo ir genetinio dubliavimo sistemas, todėl gali atsigauti net po sunkių dvigubos grandinės DNR (DSB) pažeidimų. Pagrindiniai mechanizmai, lemiančiai jos atsparumą, yra:

• Daugybinės genomų kopijos: viena ląstelė turi kelias (dažnai 4–10) chromosomos kopijas, kurios suteikia matricas taisymui.
• Efektyvus DSB taisymas: bakterija naudoja procesus, tokius kaip sintetinis, priklausomas nuo grandinės sujungimo (ESDSA) ir homologinė rekombinacija, greitai atkuriant sunkius DNR pažeidimus.
• Baltymų apsauga nuo oksidacijos: aukštas Mn/Fe santykis ir specifinės mažos molekulinės svorio antioksidantų sistemos apsaugo baltymus nuo oksidacinio pažeidimo, taip išlaikant DNR taisymo fermentų aktyvumą po radiacijos.
• Karotinoidai: pigmentai, tokie kaip deinoksantinas, slopina laisvųjų radikalų daromą žalą.
• Antioksidaciniai fermentai ir redoks sistemos: pavyzdžiui, tioredoksino reduktazė yra fermentas, aptinkamas ląstelėse reaguojant į dvigubos grandinės DNR lūžius, ir padeda atkurti redoks balansą bei remti DNR taisymo procesus.
• Kompaktiška genetinė organizacija ir kondensuotas nukleoidinis tinklas: tai gali palengvinti taisymo kompleksų veikimą ir sumažinti atsitiktinį DNR fragmentų praradimą.

Be to, D. radiodurans puikiai atsparus išdžiūvimui (vandens netekimui) ir bado, o tai susiję su tais pačiais įgūdžiais atkurti DNR po stresinių sąlygų. Ji taip pat toleruoja įvairias radiacijos formas, įskaitant intensyvią gama spinduliuotę, ir iki šiol pripažįstama viena iš labiausiai radioaktyvioms medžiagoms atsparių gyvų organizmų.

Genetika ir specifiniai baltymai

D. radiodurans genomo seka atskleidė daug su taisymu susijusių genų. Ypatingas atradimas — geno, koduojančio baltymą, kuris yra labai panašus į E. coli randamą RecD fermentą. Šis į RecD panašus baltymas greičiausiai dalyvauja DNR rekombinacijoje ir taisyme, todėl jo radimas leidžia manyti, kad panašios fermentų funkcijos yra svarbios D. radiodurans efektyviam atsigavimui po pažeidimų. Taip pat svarbus yra RecA baltymas ir kiti rekombinacijos aktyvatoriai, koordinuojantys grandinių susijungimą ir atkūrimą.

Biotechnologinės taikymo galimybės

Gali būti įmanoma pritaikyti radijacijai atsparumo mechanizmus kitiems mikroorganizmams, keičiant jų genetiką. Pavyzdžiui, viena Kinijos mokslininkų grupė bando įterpti ekspresyvų rekombinantinį D. radiodurans Mn-SOD baltymą į E.coli BL21. Tokie bandymai rodo, kad galima perkelti atskiras apsaugines funkcijas tarp rūšių, tačiau tikrasis iššūkis yra užtikrinti, kad perkeltas baltymas naujoje rūšyje būtų tinkamai suformuotas, lokalizuotas ir ilgalaikiai funkcionuotų — kitaip tariant, kad jis būtų savaime išsilaikantis ir integruotųsi į naujos ląstelės metabolismą. Tyrėjų teigimu, tai „padėjo pagrindus tolesniems rekombinantinio Mn-SOD tyrimams ir taikymui“.

Galimos praktinės taikymo sritys:

• Bioremediacija radioaktyvių teršalų (bakterijų modifikavimas, kad jos galėtų gyventi ir neutralizuoti teršalus pavojingose zonose);
• Sintetinė biologija ir „inžinerinės“ bakterijos, atsparios streso sąlygoms laboratorijose ar kosmose;
• Tyrimai astrobiologijoje — supratinti gyvenimo atsparumą ekstremaliomis sąlygomis ir galimą gyvybės išlikimą kosminėse misijose;
• Medicininių ir pramoninių fermentų stabilizavimas, pasimokant iš D. radiodurans redoks apsaugos mechanizmų.

Tyrimų iššūkiai ir saugumas

Nors D. radiodurans savybės atrodo labai patrauklios, pernešant jas į kitas rūšis arba diegiant pramoninius sprendimus, reikia atsižvelgti į biosaugos ir etiką klausimus. Genetinės modifikacijos gali turėti netikėtų pasekmių, todėl būtina griežtai kontroliuoti eksperimentus ir vertinti riziką bei ilgalaikį poveikį aplinkai. Be to, ne visi apsaugos mechanizmai lengvai perkeliami — dažnai reikalingas kompleksiškas genų ir metabolizmo tinklų adaptavimas.

D. radiodurans lieka intensyviai tiriama organizmų grupė: jos unikalūs gebėjimai atstatyti DNR ir išlikti ekstremaliose sąlygose suteikia vertingų įžvalgų apie ląstelių apsaugos mechanizmus ir atveria kelią naujiems biotechnologiniams sprendimams.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra Deinococcus radiodurans?

K: Kokias sistemas turi Deinococcus radiodurans ir iš ko ji gali atsigauti?

K: Koks yra Deinococcus radiodurans atsparumas radiacijai?

K: Kas yra tioridoksino reduktazė?

K: Kas yra į RecD panašus D. radiodurans baltymas ir ką tai rodo?

Klausimas: Ar įmanoma kitas bakterijas padaryti tokias pat atsparias radiacijai kaip D. radiodurans?

K.: Koks tikrasis iššūkis įterpiant ekspresyvų rekombinantinį D. radiodurans Mn-SOD baltymą į E.coli BL21?

Paieška pagal raidę