Pyrococcus furiosus

Pyrococcus furiosus
Sailkapen zientifikoa
Erreinua	Methanobacteriati
Filuma	Methanobacteriota
Klasea	Thermococci
Ordena	Thermococcales
Familia	Thermococcaceae
Generoa	Pyrococcus
Espeziea	Pyrococcus furiosus; [[\|]]

Pyrococcus furiosus Euryarchaeota filumeko arkeo hipertermofilo bat da. Hipertermofiloa da, hau da oso tenperatura altuak (70-103 °C) ditu beharrezkoak hazteko, bere tenperatura optimoa 100 °C-koa delarik.

Izenari dagokionez, Pyrococcus-ek “suzko kokoa” esan nahi du eta furiosus-ek ordea “kementsu”, izan ere oso azkar hazten den mikroorganismoa da. ^[1]

Azterketen ondorioz, genero berri bat sortu zen, Pyrococcus izenekoa. Hau aurretik sorturik zeuden Pyrodictium eta Thermococcus generoetatik bereizi zen zuntz-sare ezarengatik eta tenperatura optimoaren aldearengatik, hurrenez hurren.

Morfologia

0,8-1,5 μm-ko diametroko koko erregularrak dira, flagelazio lofotriko monopolarrarekin. Flageloa glikoproteinaz eratukikoa da eta bere mugimendurako erabiltzen du. Horma zelularra glikoproteinaz eraturiko S geruzaz osaturik dago.

Historia

Arkeo hau 1986. urtean aurkitu zuten Fiala-k eta Stetter-rek Italiako Vulcano irlako itsas-sedimentuetan. Ekosistema hau geotermalki oso aktiboa da, temperatura altuetan zeuden itsas-sedimentuetan lehendabizi arkeo hau aurkituz.Izan ere, mikroorganismo hauek 90 °C eta 100 °C bitartean bizi dira, baina laborategiko esperimentuen ondoren badakigu 70 °C-tik 110 °C-rako tenperaturak jasan ditzaketela, optimotzat 100 °C dutelarik. ^[2]

Azterketa gehiago egiteko, aurretik mikroorganismoa isolatu behar izan zuten. Horretarako, laginak sulfurozko kultibo-medio batean eta hidrogenozko eta karbono dioxidozko edo nitrogenozko gasen presentzian 100 °C-tan inkubatu ziren. Arkeo honen hazkuntza-tasa oso handia da (37 minututakoa baldintza egokienetan).

5-9 tarteko pHak onartzen dituela, optimotzat neutroa izanda. Gatzen kontzentrazioa %2a dute optimo, beraz ez dira batere halofiloak. Alde batetik, legami-aterakina, maltosa, zelobiosa, b-glukanoak, almidoia eta proteina-iturri desberdinak (triptona, peptona, kaseina eta haragi-aterakina) erabil ditzake substratu gisa. Bestaldetik, ezin du erabili edo oso mantso hazten da aminoazido, azido organikoak, alkoholak eta monosakarido edo disakarido batzuk (glukosa, fruktosa, laktosa, galaktosa). Beste termofiloen aldean azukreak nahiago dituzte aminoazidoak baino. Proteinekin efizienteki hazteko sulfuroa behar du arnasketa anaerobikoaren azken elektroi-hartzaile gisa. Karbohidratoekin, ordea, hazkuntza gerta daiteke sulfururik gabe. Gainera ez du fosforoaren menpeko hazkuntzarik.

Genoma

Genoma osoaren sekuentziazioa 2001ean amaitu zuten Maryland Biotechnology Institute erakundeko zientzialariek. Bertako taldeak genomak 1.908 kilobase dituela aurkitu zuen, 2065 proteina ezberdin kodetzen dituztenak guanina eta zitosinaren portzentaia %40,8koa izanda.

Beroaren aurreko adaptazioak

Geruzak

Muturreko tenperatura horietan bizi ahal izateko moldaera nagusietako bat zelularen geruzetatik dator. Ez dute azido muramikoz osatutako mureinarik. Honen ordez, bi glikoproteina dituzte, beroari aurre egiteko gai direnak. Glikoproteina hauek S geruza deritzon geruza osatzen dute, hainbat arkeotan ohikoa dena, eta tenperatura altuekiko erresistentzia ematen diena.

Mintz plasmatikoari dagokionez, arkeoetan ohikoa den monogeruza lipidikoa aurkezten du, eter loturak dituena, berriro ere termoegonkortasuna eskaintzen diona mikroorganismoari.

Proteinak

Proteinak beroarekin desnaturalizatu eta afuntzional bihurtzen dira. Hau ez gertatzeko, mikroorganismo hipertermofilo honek (arkeoek, orokorrean) zenbait adaptazio garatu ditu. Alde batetik, proteinak kondentsatuagoak ditu bakterioekin konparatuz (Escherichia coli, kasu), eta horrela, termoegonkorragoa izatea lortzen du. Beste alde batetik, aminoazido hondar polarrak ditu, eta honek interakzio ioniko gehiago sortzen ditu, egonkortasuna eskainiz, berriro ere^[3].

Lipidoak

Beste mekanismo bat, di-myo-inositol-fosfato solutuaren kontzentrazioa handitzea da. Molekula hauek beroaren presentzian sodioarekin duten lotura hausten dute eta lipido polarrak sortzen dituzte, zeinak beroaren aurrean babes handiagoa ematen dioten. ^[4]

Metabolismoa

Pyrococcus furiosus arnasketa anaerobikoa gauzatzen duen arkeo kimioorganotrofo hipertermofiloa (tenperatura optimoa 100 °C-takoa) da. Hala, mintzari loturiko hidrogenasa dauka, zeinak elektroi-garraio-katearen ferredoxina zitoplasmatikotik datozen elektroiez baliatuz hidrogeno protoiak erreduzitu eta hidrogeno gaseosoaren ekoizpena eragiten duen^[5].

Ferredoxinak glizeraldehido 3-fosfatoaren oxidaziotik lortzen ditu elektroiak, Embden–Meyerhof bidezidor (glukolisi) eraldatutik, alegia, elektroiak NAD⁺-ri eman beharrean ferredoxinari ematen baitizkio. Oxidazio honen bidez mikroorganismoak pirubatoa lortzen du, eta pirubato hau azido organiko eta CO₂-ra oxidatzen da.

Hala, prozesu hauen ondorioz CO₂ eta H₂ ekoizten ditu, azken hau kontzentrazio altuetan hazkuntza-prozesuetarako inhibitzaile izanik. Inhibizio hau ekiditeko, mikroorganismoak prozesu bat garatu du: detoxifikazioa S⁰ bidez, H₂S ekoiztuz eta H₂ kontzentrazioa murriztuz.

Metabolismo berezi honen bidez P. furiosus arkeoak energiaren ekoizpena emendatzea lortzen du, eta honek azaltzen du hazkuntza-tasa altua edukitzea, beste arkeo batzuekin konparatuz (37 minutuko bikoizte-denborarekin).

Sustratu gisa erabili ditzake legami-aterakina, maltosa, zelobiosa, b-glukanoak, almidoia eta proteina-iturri desberdinak (triptona, peptona, kaseina eta haragi-aterakina). Bestalde, ezin du erabili edo oso mantso hazten da aminoazido, azido organikoak, alkoholak eta monosakarido edo disakaridoa batzuk (glukosa, fruktosa, laktosa, galaktosa) dituzten substratuetan. Beste termofiloen aldean azukreak nahiago dituzte aminoazidoak baino. Proteinekin hazteko sulfuroa behar du arnasketa anaerobikoaren azken elektroi hartzaile gisa, eta karbohidratoekin, ordea, hazkuntza gerta daiteke sulfururik gabe.

Aplikazioak

Pyrococcus furiosus arkeo hipertermofiloa dela jakinik, zientzian bide asko ireki dira horrekin erlazionatuta. Hipertermofilo izateraren egoera horrek abantailak dakartza tenperatura altuetan egiten diren prozesuetan, eta hori dela eta, mikroorganismo honen entzimak oso erabilgarriak izan daitezke aplikazio bioteknologiko desberdinetarako.

PCR teknika

DNA-ren anplifikazioan esaterako, PCR (Polimerasa Chain Reaction) teknikan, mikroorganismo honen Pfu DNA polimerasa erabiltzen da. Entzima honek garrantzi handia du teknika honetan, izan ere, DNA-aren harizpi berria sintetizatzen du eta anplizifikaziorako ezinbestekoa da. Teknika hau tenperatura altuetan egiten da, harizpiak banatzeko, eta beraz, organismo mota honen entzimak oso egokiak dira prozesu hauetarako, beste edozein izakienak desnaturalizatu egingo lirateke eta.

Erabilera hau 1991an deskubritu zuten, eta ikusi zen tenperatura altuetan Pfu DNA polimerasa Taq DNA polimerasa baino eraginkorragoa zela (beste DNA polimerasa Thermus aquaticus-etik lortu). Horretaz gain, behatu zen polimerazioa egiteko orduan Pfu DNA polimerasak Taq-ek baino akats gutxiago egiten dituela eta hortaz, hobea dela. Patentea Stratagene enpresak dauka. ^[6]

Landareen ROS kontrola

Landareetan ere erabili izan dira mikroorganimo honen entzimak. Landareek normalean oxigenozko konposatu toxikoak sortzen dituzte (ROS: “Reactive oxygen species”) inguruneak estresa eragiten dienean, seinale bezala erabiltzen baitituzte. Baina produkzio hori kontrolatzen ez bada arazoak ekar diezazkioke landareari, hala nola, zelulen heriotza. ^[7]

Hala ere, landareek mekanismo propioak garatu dituzte horri aurre egiteko, adibidez superoxido dismutasa (SOD) entzima. Honen funtzio nagusia superoxido anioi erradikalaren (O₂^-) degradazioa da. Hala ere, entzima honen kantitatea mugatua da eta zaila da produkzioa areagotzea.

Arazo honen irtenbidea P.furiosus-en entzima baten bidez aurkitu zuten: superoxido erreduktasa (SOR). Entzima hau termoegonkorra da eta superoxido anioia erreduzitzen du. Beraz, ingenieritza genetikoaren bidez klonazioa egin eta gene hori landarearen geneetan txertatu zuten, eta landarea klonatzea lortu. Entzima hau landareek sor ditzakete entzima funtzionalak eratuz, eta abantaila ematen dio, beroarekiko eta argiarekiko erresistentzia hobetzen baitu.

Hau interesgarria izan daiteke tenperatura altuagoak dituzten beste planetetan landareen hazkuntza lortzeko adibidez.

Alkoholen sintesia

Gaur egun alkoholaren produkziorako erabiltzen diren organismo garrantzitsuenak legamiak dira. Hala ere, azken urteotan, zenbait ikerketen ondoren, Pyrococcus furiosus arkeoarekin egitea lortu izan da, hau erabiltzeak onurak ekar ditzakeelako produkzioa egiteko orduan erabili daitezkeen tenperaturekin.

Arkeo hipertermofilo honek 70 °C tan alkohola sortzea ahalbidetzen du.Tenperatura honetan lan egiteak zenbait abantaila ditu, hala nola, beste mikroorganismo batzuen kutsapena saihesten delako eta destilazio kostuak jeitsi egiten direlako.

Prozesu hau aurrera eramateko, Pyrococcus furiosus en genoman, Thermoanaerobacter bakterioaren alkohol deshidrogenasa (AdhA) genea sartu zen . Honen bidez, arkeoa gai da ez soilik glukosatik abiatuta etanola lortzeko, baizik eta baita kate luzeagoko beste zenbait alkohol beraien azido organikoetatik abiatuta lortzeko.

Prozesu metaboliko konplexu batzuen bidez, pirubatotik abiatuta, zenbait erreakzio egin ondoren, azetaldehidoa lortzen da, eta P.furiosus -ean txertatutako genearen bidez kodetutako entzimak, alkohol deshidrogenasak, azetaldehidoa erreduzitzen du, etanola eratuz. Etanola eratzeaz gain, mikroorganismo hau ere gai da karbono kate luzeagoa duten azido karboxilikoetatik abiatuta kate luzeagoko alkoholak sortzeko.

Ikerketa berri honek, aukera berriak ekarri dizkio alkoholaren produkzioan aritzen diren industriei eta baita erregaien industrian aritzen direnei. ^[8] ^[9]

Erreferentziak

↑ (Ingelesez) Kengen, Servé W. M.. (2017). «‘Pyrococcus furiosus, 30 years on’» Microbial Biotechnology 10 (6): 1441–1444. doi:10.1111/1751-7915.12695. ISSN 1751-7915. PMID 28217936. PMC PMC5658583. (Noiz kontsultatua: 2019-04-01).
↑ Fiala, Gerhard; Stetter, Karl O.. (1986-06). [http://dx.doi.org/10.1007/bf00413027 «Pyrococcus furiosus sp. nov. represents a novel genus of marine heterotrophic archaebacteria growing optimally at 100�C»] Archives of Microbiology 145 (1): 56–61. doi:10.1007/bf00413027. ISSN 0302-8933. (Noiz kontsultatua: 2019-04-01).
↑ Physics and evolution of thermophilic adaptation. .
↑ Martins, L. O. Santos, H.. Accumulation of Mannosylglycerate and Di-myo-Inositol-Phosphate by Pyrococcus furiosus in Response to Salinity and Temperature. PMC 679545168. (Noiz kontsultatua: 2019-04-01).
↑ (Ingelesez) Adams, Michael W. W.; Bagramyan, Karine; Sapra, Rajat. (2003-06-24). «A simple energy-conserving system: Proton reduction coupled to proton translocation» Proceedings of the National Academy of Sciences 100 (13): 7545–7550. doi:10.1073/pnas.1331436100. ISSN 0027-8424. PMID 12792025. (Noiz kontsultatua: 2019-03-29).
↑ Lundberg, K. S.; Shoemaker, D. D.; Adams, M. W.; Short, J. M.; Sorge, J. A.; Mathur, E. J.. (1991-12-01). «High-fidelity amplification using a thermostable DNA polymerase isolated from Pyrococcus furiosus» Gene 108 (1): 1–6. ISSN 0378-1119. PMID 1761218. (Noiz kontsultatua: 2019-03-24).
↑ Im, Yang Ju; Ji, Mikyoung; Lee, Alice; Killens, Rushyannah; Grunden, Amy M.; Boss, Wendy F.. (2009-10). «Expression of Pyrococcus furiosus Superoxide Reductase in Arabidopsis Enhances Heat Tolerance» Plant Physiology 151 (2): 893–904. doi:10.1104/pp.109.145409. ISSN 0032-0889. PMID 19684226. PMC PMCPMC2754621. (Noiz kontsultatua: 2019-03-24).
↑ Basen, Mirko; Schut, Gerrit J.; Nguyen, Diep M.; Lipscomb, Gina L.; Benn, Robert A.; Prybol, Cameron J.; Vaccaro, Brian J.; Poole, Farris L. et al.. (2014-12-09). «Single gene insertion drives bioalcohol production by a thermophilic archaeon» Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 111 (49): 17618–17623. doi:10.1073/pnas.1413789111. ISSN 0027-8424. PMID 25368184. PMC PMCPMC4267397. (Noiz kontsultatua: 2019-03-24).
↑ Müller, Volker. (2014-12-09). «Bioalcohol production by a new synthetic route in a hyperthermophilic archaeon» Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 111 (49): 17352–17353. doi:10.1073/pnas.1420385111. ISSN 0027-8424. PMID 25427800. PMC PMCPMC4267332. (Noiz kontsultatua: 2019-03-24).

Kanpo estekak

Datuak: Q146310
Multimedia: Pyrococcus furiosus / Q146310
Espezieak: Pyrococcus furiosus

[1] (Ingelesez) Kengen, Servé W. M.. (2017). «‘Pyrococcus furiosus, 30 years on’» Microbial Biotechnology 10 (6): 1441–1444. doi:10.1111/1751-7915.12695. ISSN 1751-7915. PMID 28217936. PMC PMC5658583. (Noiz kontsultatua: 2019-04-01).

[2] Fiala, Gerhard; Stetter, Karl O.. (1986-06). [http://dx.doi.org/10.1007/bf00413027 «Pyrococcus furiosus sp. nov. represents a novel genus of marine heterotrophic archaebacteria growing optimally at 100�C»] Archives of Microbiology 145 (1): 56–61. doi:10.1007/bf00413027. ISSN 0302-8933. (Noiz kontsultatua: 2019-04-01).

[3] Physics and evolution of thermophilic adaptation. .

[4] Martins, L. O. Santos, H.. Accumulation of Mannosylglycerate and Di-myo-Inositol-Phosphate by Pyrococcus furiosus in Response to Salinity and Temperature. PMC 679545168. (Noiz kontsultatua: 2019-04-01).

[5] (Ingelesez) Adams, Michael W. W.; Bagramyan, Karine; Sapra, Rajat. (2003-06-24). «A simple energy-conserving system: Proton reduction coupled to proton translocation» Proceedings of the National Academy of Sciences 100 (13): 7545–7550. doi:10.1073/pnas.1331436100. ISSN 0027-8424. PMID 12792025. (Noiz kontsultatua: 2019-03-29).

[6] Lundberg, K. S.; Shoemaker, D. D.; Adams, M. W.; Short, J. M.; Sorge, J. A.; Mathur, E. J.. (1991-12-01). «High-fidelity amplification using a thermostable DNA polymerase isolated from Pyrococcus furiosus» Gene 108 (1): 1–6. ISSN 0378-1119. PMID 1761218. (Noiz kontsultatua: 2019-03-24).

[7] Im, Yang Ju; Ji, Mikyoung; Lee, Alice; Killens, Rushyannah; Grunden, Amy M.; Boss, Wendy F.. (2009-10). «Expression of Pyrococcus furiosus Superoxide Reductase in Arabidopsis Enhances Heat Tolerance» Plant Physiology 151 (2): 893–904. doi:10.1104/pp.109.145409. ISSN 0032-0889. PMID 19684226. PMC PMCPMC2754621. (Noiz kontsultatua: 2019-03-24).

[8] Basen, Mirko; Schut, Gerrit J.; Nguyen, Diep M.; Lipscomb, Gina L.; Benn, Robert A.; Prybol, Cameron J.; Vaccaro, Brian J.; Poole, Farris L. et al.. (2014-12-09). «Single gene insertion drives bioalcohol production by a thermophilic archaeon» Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 111 (49): 17618–17623. doi:10.1073/pnas.1413789111. ISSN 0027-8424. PMID 25368184. PMC PMCPMC4267397. (Noiz kontsultatua: 2019-03-24).

[9] Müller, Volker. (2014-12-09). «Bioalcohol production by a new synthetic route in a hyperthermophilic archaeon» Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 111 (49): 17352–17353. doi:10.1073/pnas.1420385111. ISSN 0027-8424. PMID 25427800. PMC PMCPMC4267332. (Noiz kontsultatua: 2019-03-24).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]