THERMUS AQUATICUS: KENMERKEN, LEVENSCYCLUS, TOEPASSINGEN - BIOLOGIE - 2025

Thermus aquaticus is een thermofiele bacterie, ontdekt door Thomas Brock in 1967, gelegen in de Phylum Deinococcus-Thermus. Het is een gramnegatief, heterotroof en aëroob micro-organisme dat thermische stabiliteit als intrinsieke eigenschap heeft.

Het wordt verkregen uit een verscheidenheid aan warmwaterbronnen tussen 50 ° C en 80 ° C en pH 6,0 tot 10,5, in Yellowstone National Park en in Californië in Noord-Amerika. Het is ook geïsoleerd van kunstmatige thermische habitats.

Thermus aquaticus. Bacteriën afgezet op een 0,22 μm Millipore-filter (schaal = 1 μm).

Het vormt een bron van hittebestendige enzymen, die de verschillende denaturatiecycli overleven. In deze context zijn eiwitten en enzymen van bijzonder belang voor de biotechnologie-industrie.

Dit is hoe de enzymen waaruit het bestaat, worden gebruikt in genetische manipulatie, in de polymerasekettingreactie (PCR) en als een wetenschappelijk en forensisch onderzoeksinstrument (Williams en Sharp, 1995).

Algemene karakteristieken

Yellowstone Park Geiser. Thermus aquaticus werd geïsoleerd van een geiser. Bron: Pixabay

Het is gram-negatief

Thermus aquaticus krijgt, wanneer het wordt onderworpen aan het Gram-kleuringsproces, een fuchsia-kleur. Dit komt doordat de peptidoglycaanwand extreem dun is, zodat de kleurstofdeeltjes er niet in blijven zitten.

Habitat

Deze bacterie is ontworpen om extreem hoge temperaturen te weerstaan. Dit houdt in dat hun natuurlijke habitat plaatsen op de planeet zijn waar de temperatuur hoger is dan 50 ° C.

In die zin is deze bacterie geïsoleerd uit geisers, waarvan de meest voorkomende die van Yellowstone National Park; van warmwaterbronnen over de hele wereld, maar ook van kunstmatige warmwateromgevingen.

Het is aëroob

Dit betekent dat Thermus aquaticus een bacterie is, het moet zich in omgevingen bevinden die hem voorzien van zuurstof om zijn metabolische processen uit te voeren.

Is thermofiel

Dit is een van de meest representatieve kenmerken van Thermus aquaticus. Deze bacterie is geïsoleerd op plaatsen waar de temperatuur extreem hoog is.

Thermus aquaticus is een zeer speciale en resistente bacterie, omdat bij temperaturen die zo hoog zijn als die het ondersteunt, de eiwitten in de meeste levende wezens gedenatureerd worden en onomkeerbaar hun functies niet meer vervullen.

Deze bacterie heeft een groeitemperatuur die varieert van 40 ° C tot 79 ° C, met een optimale groeitemperatuur van 70 ° C.

Het is heterotroof

Zoals elk heterotroof organisme heeft deze bacterie organische verbindingen nodig die in het milieu aanwezig zijn om zich te ontwikkelen. De belangrijkste bronnen van organisch materiaal zijn bacteriën en algen die in de omgeving aanwezig zijn, maar ook in de omliggende bodem.

Het gedijt in licht alkalische omgevingen

De optimale pH-waarde waarin Thermus aquaticus zich kan ontwikkelen zonder dat de eiwitten waaruit het bestaat hun functie verliezen, ligt tussen 7,5 en 8. Het is de moeite waard eraan te denken dat 7 op de pH-schaal neutraal is. Daarboven is het alkalisch en daaronder zuur.

Produceert een groot aantal enzymen

Thermus aquaticus is een micro-organisme dat op experimenteel niveau zeer nuttig is geweest vanwege zijn vermogen om in omgevingen met hoge temperaturen te leven.

Welnu, door talloze onderzoeken is vastgesteld dat het talloze enzymen synthetiseert die, merkwaardig genoeg, in andere micro-organismen, bij dezelfde temperaturen, gedenatureerd worden en hun functie verliezen.

De enzymen die door Thermus aquaticus worden gesynthetiseerd en die het meest zijn bestudeerd, zijn;

• Aldolasse
• Taq I restrictie-enzym
• DNA-ligase
• Alkalische fosfatase
• Isocitraat dehydrogenase
• Amylomaltase

Fylogenie en taxonomie

Dit micro-organisme wordt ingekaderd volgens de klassieke benadering:

• Kingdom: Bacteria
• Stam: Deinococcus-Thermus
• Klasse: Deinococci
• Bestelling: Thermales
• Familie: Thermaceae
• Geslacht: Thermus
• Soort: Thermus aquaticus.

Morfologie

De bacterie Thermus aquaticus behoort tot de groep van staafvormige bacteriën (bacillen). Cellen zijn ongeveer 4 tot 10 micron groot. Zeer grote cellen zijn onder de microscoop te zien, evenals kleine cellen. Ze hebben geen cilia of flagella op het celoppervlak.

De Thermus aquaticus-cel heeft een membraan dat op zijn beurt is opgebouwd uit drie lagen: een interne plasmalaag, een externe ruw ogende en een tussenlaag.

Een van de onderscheidende kenmerken van dit type bacteriën is dat er structuren zijn die lijken op staafjes in het binnenmembraan, die bekend staan ​​als ronde lichamen.

Evenzo bevatten deze bacteriën heel weinig peptidoglycaan in hun celwand en, in tegenstelling tot grampositieve bacteriën, bevat het lipoproteïnen.

Bij blootstelling aan natuurlijk licht kunnen de cellen van de bacterie geel, roze of rood worden. Dit komt door de pigmenten die in de bacteriecellen zitten.

Het genetisch materiaal bestaat uit een enkel circulair chromosoom waarin DNA zich bevindt. Hiervan bestaat ongeveer 65% uit Guanine- en Cytosine-nucleotiden, en Thymine- en Adenine-nucleotiden vertegenwoordigen 35%.

Levenscyclus

Over het algemeen planten bacteriën, waaronder T. aquaticus, zich ongeslachtelijk voort door celdeling. Het enkele DNA-chromosoom begint zich te vermenigvuldigen; het repliceert om alle genetische informatie van de dochtercellen te kunnen erven, dankzij de aanwezigheid van het enzym DNA-polymerase. Binnen 20 minuten is het nieuwe chromosoom compleet en in de cel gefixeerd.

De deling gaat door en na 25 minuten beginnen de twee chromosomen zich te dupliceren. Een divisie verschijnt in het midden van de cel en na 38 minuten. de dochtercellen presenteren de deling gescheiden door een muur, waardoor de aseksuele deling na 45-50 minuten wordt beëindigd. (Dreifus, 2012).

Celstructuur en metabolisme

Omdat het een gramnegatieve bacterie is, heeft het een buitenmembraan (lipoproteïnelaag) en periplasma (waterig membraan), waar het peptidoglycaan zich bevindt. Er worden geen trilharen of flagellen waargenomen.

De samenstelling van de lipiden van deze thermofiele organismen moet zich aanpassen aan schommelingen in de temperatuur van de context waarin ze zich ontwikkelen, om de functionaliteit van de cellulaire processen te behouden, zonder de chemische stabiliteit te verliezen die nodig is om oplossen bij hoge temperaturen te voorkomen (Ray et al. 1971).

Aan de andere kant is T. aquaticus een echte bron van thermostabiele enzymen geworden. Taq DNA-polymerase is een enzym dat de lysis van een substraat katalyseert door een dubbele binding te genereren, dus het is gerelateerd aan enzymen van het lyase-type (enzymen die het vrijkomen van bindingen katalyseren).

Omdat het afkomstig is van een thermofiele bacterie, is het bestand tegen lange incubaties bij hoge temperaturen (Lamble, 2009).

Opgemerkt moet worden dat elk organisme DNA-polymerase heeft voor zijn replicatie, maar vanwege zijn chemische samenstelling is het niet bestand tegen hoge temperaturen. Dat is de reden waarom taq DNA-polymerase het belangrijkste enzym is dat wordt gebruikt om sequenties van het menselijk genoom te amplificeren, evenals genomen van andere soorten.

Toepassingen

Versterk fragmenten

Door de thermische stabiliteit van het enzym kan het worden gebruikt in technieken om DNA-fragmenten te amplificeren via in vitro replicatie, zoals PCR (polymerasekettingreactie) (Mas en Colbs, 2001).

Dit vereist initiële en laatste primers (korte nucleotidesequentie die een startpunt biedt voor DNA-synthese), DNA-polymerase, deoxyribonucleotiden trifosfaat, bufferoplossing en kationen.

De reageerbuis met alle elementen wordt in een thermische cycler tussen 94 en 98 graden Celsius geplaatst om het DNA in enkele strengen te verdelen.

De prestatie van de primers begint en het opwarmen vindt weer plaats tussen 75-80 graden Celsius. Initieert synthese van het 5 ′ naar 3 ′ uiteinde van DNA.

Hier is het belang van het gebruik van het thermostabiele enzym. Als een ander polymerase zou worden gebruikt, zou het worden vernietigd tijdens de extreme temperaturen die nodig zijn om het proces uit te voeren.

Kary Mullis en andere onderzoekers van Cetus Corporation ontdekten de uitsluiting van de noodzaak om enzym toe te voegen na elke cyclus van thermische denaturatie van DNA. Het enzym werd gekloond, gemodificeerd en in grote hoeveelheden geproduceerd voor commerciële verkoop.

Katalyseer biochemische reacties

De hydrolyse van gluten door het thermoactieve serine peptidase aqualysin1 van T. aquaticus begint bij het maken van brood boven 80 ° C.

Hiermee wordt de relatieve bijdrage van hittestabiele gluten aan de textuur van het broodkruim bestudeerd (Verbauwhede en Colb, 2017).

Afbraak van polychloorbifenylverbindingen

1. Brock, TD., Freeze H. Thermus aquaticus gen. n. en sp. n., een niet-sporulerende extreme thermofiel. 1969. J Bacteriol. Deel 98 (1). 289-297.
2. Dreifus Cortes, George. De wereld van microben. Redactiefonds voor economische cultuur. Mexico. 2012.
3. Ferreras P. Eloy R. Expressie en studie van thermostabiele enzymen van biotechnologisch belang Universidad Autónoma de Madrid. DOCTORAAL PROEFSCHRIJVING Madrid. 2011. Beschikbaar op: repositorio.uam.es.
4. Mas E, Poza J, Ciriza J, Zaragoza P, Osta R en Rodellar C. Rationale voor de Polymerase Chain Reaction (PCR). AquaTIC nº 15, november 2001.
5. Ruiz-Aguilar, Graciela ML, Biologische afbraak van polychloorbifenylen (PCB's) door micro-organismen .. Acta Universitaria 2005, 15 (mei-augustus). Verkrijgbaar bij redalyc.org.
6. Sharp R, William R. Thermus-soort. Biothecnology Handbooks. Springer Science Business Media, LLC. negentienvijfennegentig.