THERMUS AQUATICUS: EIGENSCHAFTEN, LEBENSZYKLUS, ANWENDUNGEN - BIOLOGIE - 2025

Thermus aquaticus ist ein thermophiles Bakterium, das 1967 von Thomas Brock entdeckt wurde und sich im Phylum Deinococcus-Thermus befindet. Es ist ein gramnegativer, heterotropher und aerober Mikroorganismus, der als intrinsische Eigenschaft thermische Stabilität aufweist.

Es wird aus einer Vielzahl heißer Quellen zwischen 50 ° C und 80 ° C und einem pH-Wert von 6,0 bis 10,5 im Yellowstone-Nationalpark und in Kalifornien in Nordamerika gewonnen. Es wurde auch aus künstlichen thermischen Lebensräumen isoliert.

Thermus aquaticus. Auf einem 0,22 μm Millipore-Filter abgelagerte Bakterien (Skala = 1 μm).

Es stellt eine Quelle für hitzebeständige Enzyme dar, die die verschiedenen Denaturierungszyklen überstehen. In diesem Zusammenhang sind Proteine ​​und Enzyme für die Biotechnologieindustrie von besonderem Interesse.

Auf diese Weise werden die Enzyme, aus denen es besteht, in der Gentechnik, in der Polymerasekettenreaktion (PCR) und als wissenschaftliches und forensisches Untersuchungsinstrument verwendet (Williams und Sharp, 1995).

Allgemeine Charakteristiken

Yellowstone Park Geysir. Thermus aquaticus wurde aus einem Geysir isoliert. Quelle: Pixabay

Es ist gramnegativ

Thermus aquaticus erhält, wenn es dem Gram-Färbeverfahren unterzogen wird, eine fuchsia Färbung. Dies liegt daran, dass die Peptidoglycanwand extrem dünn ist, so dass die Farbstoffpartikel nicht darin eingeschlossen sind.

Lebensraum

Dieses Bakterium ist für extrem hohe Temperaturen ausgelegt. Dies impliziert, dass ihr natürlicher Lebensraum Orte auf dem Planeten sind, an denen die Temperaturen 50 ° C überschreiten.

In diesem Sinne wurde dieses Bakterium aus Geysiren isoliert, am häufigsten aus dem Yellowstone-Nationalpark. aus heißen Quellen auf der ganzen Welt sowie aus künstlichen Warmwasserumgebungen.

Es ist aerob

Dies bedeutet, dass Thermus aquaticus ein Bakterium ist. Es muss sich in Umgebungen befinden, in denen Sauerstoff verfügbar ist, damit es seine Stoffwechselprozesse ausführen kann.

Ist thermophil

Dies ist eine der repräsentativsten Eigenschaften von Thermus aquaticus. Dieses Bakterium wurde an Orten isoliert, an denen die Temperaturen extrem hoch sind.

Thermus aquaticus ist ein ganz besonderes und resistentes Bakterium, da bei so hohen Temperaturen wie den von ihm unterstützten die Proteine ​​der meisten Lebewesen denaturiert werden und ihre Funktionen irreversibel nicht mehr erfüllen.

Dieses Bakterium hat eine Wachstumstemperatur im Bereich von 40 ° C bis 79 ° C, wobei die optimale Wachstumstemperatur 70 ° C beträgt.

Es ist heterotrop

Wie jeder heterotrophe Organismus benötigt dieses Bakterium organische Verbindungen, die in der Umwelt vorhanden sind, um sich zu entwickeln. Die Hauptquellen für organische Stoffe sind Bakterien und Algen in der Umgebung sowie im umgebenden Boden.

Es gedeiht in leicht alkalischen Umgebungen

Der optimale pH-Wert, bei dem sich Thermus aquaticus entwickeln kann, ohne dass die Proteine, aus denen es besteht, ihre Funktion verlieren, liegt zwischen 7,5 und 8. Es ist zu beachten, dass 7 auf der pH-Skala neutral ist. Darüber ist es alkalisch und darunter sauer.

Produziert eine große Anzahl von Enzymen

Thermus aquaticus ist ein Mikroorganismus, der auf experimenteller Ebene aufgrund seiner Fähigkeit, in Umgebungen mit hohen Temperaturen zu leben, sehr nützlich war.

Nun, durch zahlreiche Untersuchungen wurde festgestellt, dass es zahlreiche Enzyme synthetisiert, die seltsamerweise in anderen Mikroorganismen bei den gleichen Temperaturen denaturiert werden und ihre Funktion verlieren.

Die von Thermus aquaticus synthetisierten Enzyme, die am meisten untersucht wurden, sind:

• Aldolasse
• Taq I Restriktionsenzym
• DNA-Ligase
• Alkalische Phosphatase
• Isocitratdehydrogenase
• Amylomaltase

Phylogenie und Taxonomie

Dieser Mikroorganismus ist nach dem klassischen Ansatz gerahmt:

• Königreich: Bakterien
• Stamm: Deinococcus-Thermus
• Klasse: Deinokokken
• Bestellung: Thermales
• Familie: Thermaceae
• Gattung: Thermus
• Art: Thermus aquaticus.

Morphologie

Das Bakterium Thermus aquaticus gehört zur Gruppe der stäbchenförmigen Bakterien (Bazillen). Die Zellen sind ungefähr 4 bis 10 Mikrometer groß. Unter dem Mikroskop sind sowohl sehr große Zellen als auch kleine Zellen zu sehen. Sie haben keine Zilien oder Flagellen auf der Zelloberfläche.

Die Thermus aquaticus-Zelle hat eine Membran, die wiederum aus drei Schichten besteht: einer inneren Plasmaschicht, einer äußeren rauh aussehenden und einer Zwischenschicht.

Eines der charakteristischen Merkmale dieser Art von Bakterien ist, dass es Strukturen gibt, die wie Stäbchen auf ihrer inneren Membran aussehen, die als rundliche Körper bekannt sind.

Ebenso enthalten diese Bakterien sehr wenig Peptidoglycan in ihrer Zellwand und im Gegensatz zu grampositiven Bakterien Lipoproteine.

Wenn sie natürlichem Licht ausgesetzt werden, können die Bakterienzellen gelb, rosa oder rot werden. Dies ist auf die Pigmente zurückzuführen, die in den Bakterienzellen enthalten sind.

Das genetische Material besteht aus einem einzelnen zirkulären Chromosom, in dem DNA enthalten ist. Davon bestehen ungefähr 65% aus Guanin- und Cytosin-Nukleotiden, wobei Thymin- und Adenin-Nukleotide 35% ausmachen.

Lebenszyklus

Im Allgemeinen vermehren sich Bakterien, einschließlich T. aquaticus, ungeschlechtlich durch Zellteilung. Das einzelne DNA-Chromosom beginnt sich zu replizieren; Es repliziert sich, um aufgrund des Vorhandenseins des Enzyms DNA-Polymerase die gesamte genetische Information an die Tochterzellen erben zu können. Innerhalb von 20 Minuten ist das neue Chromosom fertig und hat sich in der Zelle festgesetzt.

Die Teilung geht weiter und nach 25 Minuten haben die beiden Chromosomen begonnen, sich zu duplizieren. Eine Teilung erscheint in der Mitte der Zelle und nach 38 Minuten. Die Tochterzellen präsentieren die durch eine Wand getrennte Teilung und beenden die asexuelle Teilung nach 45-50 Minuten. (Dreifus, 2012).

Zellstruktur und Stoffwechsel

Da es sich um ein gramnegatives Bakterium handelt, hat es eine äußere Membran (Lipoproteinschicht) und ein Periplasma (wässrige Membran), in denen sich das Peptidoglycan befindet. Es werden keine Zilien oder Flagellen beobachtet.

Die Zusammensetzung der Lipide dieser thermophilen Organismen muss sich an Temperaturschwankungen des Kontextes anpassen, in dem sie sich entwickeln, um die Funktionalität der zellulären Prozesse aufrechtzuerhalten, ohne die chemische Stabilität zu verlieren, die erforderlich ist, um eine Auflösung bei hohen Temperaturen zu vermeiden (Ray et al. 1971).

Andererseits ist T. aquaticus eine echte Quelle für thermostabile Enzyme geworden. Die Taq-DNA-Polymerase ist ein Enzym, das die Lyse eines Substrats durch Erzeugung einer Doppelbindung katalysiert und daher mit Enzymen vom Lyase-Typ (Enzymen, die die Freisetzung von Bindungen katalysieren) verwandt ist.

Da es von einem thermophilen Bakterium stammt, widersteht es langen Inkubationen bei hohen Temperaturen (Lamble, 2009).

Es sollte beachtet werden, dass jeder Organismus DNA-Polymerase für seine Replikation hat, aber aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung hohen Temperaturen nicht widersteht. Aus diesem Grund ist die Taq-DNA-Polymerase das Hauptenzym, das zur Amplifikation von Sequenzen des menschlichen Genoms sowie von Genomen anderer Spezies verwendet wird.

Anwendungen

Fragmente amplifizieren

Die thermische Stabilität des Enzyms ermöglicht die Verwendung in Techniken zur Amplifikation von DNA-Fragmenten durch In-vitro-Replikation, wie z. B. PCR (Polymerasekettenreaktion) (Mas und Colbs, 2001).

Dies erfordert Anfangs- und Endprimer (kurze Nukleotidsequenz, die einen Ausgangspunkt für die DNA-Synthese darstellt), DNA-Polymerase, Desoxyribonukleotidtriphosphat, Pufferlösung und Kationen.

Das Reaktionsrohr mit allen Elementen wird in einen Thermocycler zwischen 94 und 98 Grad Celsius gestellt, um die DNA in einzelne Stränge aufzuteilen.

Die Leistung der Primer beginnt und das Wiedererhitzen erfolgt erneut zwischen 75 und 80 Grad Celsius. Initiiert die Synthese vom 5'- bis 3'-Ende der DNA.

Hier ist die Bedeutung der Verwendung des thermostabilen Enzyms. Wenn irgendeine andere Polymerase verwendet würde, würde sie während der extremen Temperaturen, die zur Durchführung des Prozesses erforderlich sind, zerstört werden.

Kary Mullis und andere Forscher der Cetus Corporation fanden den Ausschluss der Notwendigkeit, nach jedem Zyklus der thermischen Denaturierung von DNA Enzym hinzuzufügen. Das Enzym wurde kloniert, modifiziert und in großen Mengen für den kommerziellen Verkauf hergestellt.

Biochemische Reaktionen katalysieren

Die Hydrolyse von Gluten durch die thermoaktive Serinpeptidase Aqualysin1 aus T. aquaticus beginnt oberhalb von 80 ° C bei der Brotherstellung.

Damit wird der relative Beitrag von hitzebeständigem Gluten zur Textur der Brotkrume untersucht (Verbauwhede und Colb, 2017).

Abbau von polychlorierten Biphenylverbindungen

1. Brock, TD., Freeze H. Thermus aquaticus gen. n. und sp. n. ein nicht sporulierendes extremes Thermophil 1969. J Bacteriol. Vol. 98 (1). 289-297.
2. Dreifus Cortes, George. Die Welt der Mikroben. Redaktionsfonds für Wirtschaftskultur. Mexiko. 2012.
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