Bakteryjne źródła odporności na promieniowanie
Kasia Kuleszewicz | 2007-10-08
Zsekwencjonowano genom Deinococcus geothermalis. Jest to druga bakteria, która znana jest ze swojej ekstremalnej odporności na wysokie dawki promieniowania i silne odwodnienie. Ku zaskoczeniu naukowców źródła odporności różnych organizmów rodziny Deinococcus są różne.
Naukowcy oczekiwali, że wśród genów zaangażowanych w tą odporność będą znajdować się geny badane przez ostatnie 10 lat, które wiązane były z odpornością innych mikroorganizmów.
Naukowcy porównali in silico sekwencję genomu D. geothermalis z sekwencją D. radiodurans. Jak się okazało znacznie mniejsza ilość tych samych genów jest odpowiedzialna za odporność u tych dwóch szczepów bakterii niż oczekiwano. Zaskakująca dla naukowców była także całkowita ilość genów odpowiedzialnych za ekstremalną odporność, która okazała się mniejsza niż sądzono.
Niezwykła odporność Deinococcus przypisywana była ich kosmicznemu pochodzeniu, gdzie warunki klimatyczne są znacznie bardziej surowe niż na Ziemi. Jednak najnowsze badania poddają wątpliwości tą hipotezę i „sprowadzają Deinococcus na Ziemię”, a geny ekstremalnej odporności naukowcy tłumaczą ewolucją genów od jednego wspólnego przodka.
Bakterie Deinococcus są odporne na promieniowanie dzięki wielokrotnym kopiom ich genomu i sprawnym mechanizmom naprawy DNA. Bakterie naprawiają swoje chromosomy w ciągu 12-24 godzin od ekspozycji na promieniowanie w dwuetapowym procesie. Najpierw chromosomy Deinococcus radiodurans są rozłączane, a następnie białka naprawiają złamania w podwójnym łańcuchu powstałym podczas rekombinacji.
Naukowcy opublikowali swoje odkrycie w internetowym magazynie PLoS One, 26 września.
Bakterie z Deinococcus są bardzo odporne na promieniowanie jonizujące, ultrafioletowe i odwodnienie. Mezofilna bakteria D. radiodurans jest pierwszym członkiem grupy mikroorganizmów, których genom został całkowicie zsekwencjonowany. Analiza tego genomu nie ujawniła jednak żadnego unikalnego systemu naprawy DNA.
Podczas dalszej analizy mającej na celu wyłonić podstawy tak wytrzymałego fenotypu bakterii, ujawniono sekwencję całego genomu drugiego gatunku bakterii Deinococcus, termofilnej bakterii D. geothermalis, która przy swojej optymalnej temperaturze wzrostu jest tak samo odporna na działanie promieniowania ultrafioletowego, jonizującego i odwodnienia jak D. radiodurans.
Porównano sekwencje genomu dwóch gatunków. Jak się okazało wiele genów którym przypisano wcześniej udział w odporności u D. radiodurans, nie bierze w niej udziału u D. geothermalis. Geny, których usunięcie powodowały powstanie wrażliwego na promieniowanie i odwodnienie fenotypu D. radiodurans są zakonserwowane i występują także w D. geothermalis.
Zidentyfikowano powszechny palindromiczny motyw DNA w zakonserwowanym zbiorze genów związanych z odpornością. Wspomagają one działanie regulonu odpowiedzialnego za odpowiedź na promieniowanie u Deinococcus. Określono dla niego także regulator transkrypcyjny.
W badaniu przedstawiono przypadek, gdzie oba gatunki Deinococcus ewoluowały praktycznie takie same zestawy genów, a ich fenotypy odporności na ekstremalny stres powstały przez stopniowe gromadzenie systemów „czyszczących”z niepotrzebnych genów, ale nie przez nabywanie nowych systemów naprawy DNA.
Naukowcy próbowali odtworzyć ewolucje genomów typu Deinococcus-thermus. Jak się okazało zestaw genów kodujących odpowiednie dla odporności enzymy powstał w wyniku ewolucji od jednego przodka Deinococcus. Wyniki analizy wskazują na to, że w odporności nie biorą raczej udziału wyższe struktury chromosomów. Analiza definiuje także niezcharakteryzowane geny, które mogą przyczyniać się do naprawy DNA i przez to przyczyniają się do odporności.
Naukowcy z Uniwersytetu stanowego w Luizjanie odkryli w 2003 roku gen odpowiedzialny za odporność na promieniowanie u D. radiodurans. Gen ten nazwano irrE. Kiedy zostanie on usunięty z genomu, w rezultacie powstaje bardzo wrażliwy na promieniowanie mikrob.
D. radiodurans jest najbardziej odpornym organizmem na świecie, który potrafi przeżyć promieniowanie nawet tak wysokie jak 1.5 milionów radów, co jest 1000 razy większą dawką niż jest w stanie przyjąć jakikolwiek inny organizm. Zrozumienie jak bakterie są w stanie przetrwać ekstremalne warunki może pomóc naukowcom w zrozumieniu wielu aspektów takich jak porządkowanie „śmieciowego” zalegających w jądrze czy zapobieganie nowotworom.
Naukowcy badali zmutowany szczep D. radiodurans, który nie był w stanie przetrwać wysokich poziomów promieniowania. Jak się okazało szczep miał mutacje w 2 genach, z czego jeden został zidentyfikowany jako irrE. Kiedy przywrócono działanie genu irrE bakteria odzyskała odporność na promieniowanie, co potwierdziło, że gen był odpowiedzialny za tą cechę.
Dalsze badanie sugerowały, że irrE nie jest bezpośrednio zaangażowany w naprawę DNA, która występuje po ekspozycji na promieniowanie. Sugerowano, że może on kontrolować inne geny, które u innych organizmów znane są z działania naprawczego DNA.
Gen jednak okazał się zaangażowany w oporność na inne czynniki takie jak promieniowanie ultrafioletowe. Nie wiadomym było jednak jak irrE działa w stosunku do innych regulatorowych genów.
Źródła:
- Makarova, K.S. et al. (2007) Deinococcus geothermalis: The Pool of Extreme Radiation Resistance Genes Shrinks, Plos One. http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0000955
- ScienceDaily.com: Second Extremely Resistant Bacteria Sequenced Is Surprisingly Different From First, Sep 28, 2007
- ScienceDaily.com: Gene Vital To Radiation Resistance In Bacteria, Feb 3, 2003
- Wikiepdia: D. radiodurans,
- Foto: Wikiepdia: D. radiodurans
Komentarze
Preczulona | 2007-10-10 00:00:00
Błagam, na forum biotechnologicznym pamiętajmy, że bakterie mają OPORNOść. Aby zaistniała odporność musi być obecny układ immunologiczny o którym nie ma mowy u organizmu jednokomórkowego.
Shape | 2007-10-16 00:00:00
To bardzo interesujące, tylko jakie ta wiedza ma praktyczne zastosowanie?