Halobacterium salinarum

Halobacterium salinarum (tunnettiin aiemmin nimellä Halobacterium cutirubrum tai Halobacterium halobium) on aerobinen halofiilinen meren arkeoni. Niitä esiintyy suolakalassa, vuodissa, hypersuolaisissa järvissä ja suola-altaissa (suolaa yli 4 M). H. salinarumia on löydetty myös runsaasti suolaa sisältävistä ruoista, kuten suolaisesta sianlihasta, merikaloista ja makkaroista. H. salinarumin kyvystä selviytyä korkeissa suolapitoisuuksissa johtuu sen luokittelu ekstremofiiliksi.

Solumorfologia ja aineenvaihdunta 
Halobakteerit ovat yksisoluisia sauvamaisia mikro-organismeja. Ne kehittyivät miljardeja vuosia sitten ja ovat elämänmuodoista vanhimpia. Niiden solukalvo koostuu yhdestä lipidikaksoiskerroksesta, jota ympäröi S-kerros. S-kerros koostuu solun pinnan glykoproteiinista, joka muodostaa noin puolet solun pinnan proteiineista. Glykoproteiinin glykaaniketjuissa on runsaasti sulfaattijäämiä, jotka antavat kalvolle negatiivisen varauksen, ja sen uskotaan stabiloivan solukalvon rakennetta korkeassa suolapitoisuudessa.

H. salinarumin pääasiallisia kemiallisen energian lähteitä ovat aminohapot, erityisesti arginiini ja aspartaatti. H. salinarumin ei kykene hyödyntämään sokereita ympäristöstä, joten sen on tuotettava entsyymejä, jotka pystyvät suorittamaan glukoneogeneesiä sokereiden tuottamiseksi. Transkriptiofaktori TrmB:n on osoitettu säätelevän S-kerroksen glykoproteiinissa olevien sokereiden glukoneogeenistä tuotantoa.

Sopeutuminen ääriolosuhteisiin

Korkea suola 
Selviytyäkseen erittäin suolaisissa ympäristöissä halofiiliset arkit ovat käyneet läpi useita evolutiivisia muutoksia. Ne hyödyntävät osmoprotektantteja (erityisesti kaliumkloridia) osmoottisen stressin vähentämiseksi. H. salinarumin sytoplasma on hyvin suolainen. Osmoottisen tasapainon aikaansaamiseksi solut sisältävät molaarisia pitoisuuksia K+ ja Cl−. Koska kaliumtasot eivät ole tasapainossa ympäristön kanssa, H. salinarum tuottaa useita aktiivisia kuljettajia, jotka pumppaavat kaliumia soluun.

Erittäin korkea suolapitoisuus aiheuttaa proteiinisaostumista. Sopeutuakseen äärimmäiseen suolaisuuteen H. salinarum tuottaa pääasiassa vain happamia proteiineja, joiden keskimääräinen isoelektrinen piste on 5,03. Happamat proteiinit ovat vahvasti negatiivisesti varautuneita, minkä ansiosta ne pysyvät vakaina myös korkeissa suolapitoisuuksissa. Näiden sopeutumien myötä H. salinarum -proteiinit vaativat korkeita suolapitoisuuksia aktiivisuuden ja rakenteellisen stabiilisuuden aikaansaamiseksi. Mikäli suolapitoisuus on <2,5 M, proteiinit eivät laskostu oikein.

Proteiini-DNA interaktioita on tutkittu HsRosR DNA:ta sitovan proteiinin avulla. HsRosR on happiradikaaliriippuvainen säätelytekijä, joka sitoo DNA:ta aktivoiden tai inhiboiden avaingeenejä reaktiona ympäristön stressiin. HsRosR ei kykene sitoutumaan DNA:han, ellei suolapitoisuus ole tarpeeksi korkea. Ilman suolaa hsRosR:n ja DNA:n sitoutumisalueet ovat molemmat negatiivisesti varautuneita, jolloin ne hylkivät toisiaan. Suuri suolapitoisuus laskee proteiinin negatiivista varausta ja lisää positiivista potentiaalia, mikä mahdollistaa sitoutumisen DNA:han. Sitoutumisprosessi on itsessään samanlainen kuin ei-halofiilisillä eukaryooteilla, ja sitä ohjautuu sekä suoraa että epäsuoraa lukumekanismi hyödyntäen. Sitoutumisreaktion arvellaan olevan endoterminen ja entropiaohjattu.

Pieni happi- ja fototrofiapitoisuus 

H. salinarum voi kasvaa suola-altaissa niin tiheään, että veden happi loppuu nopeasti. Vaikka H. salinarum on ehdoton aerobi, se pystyy selviytymään vähähappisissa olosuhteissa käyttämällä valoenergiaa. H. salinarum tuottaa bakteerirodopsiinia (kalvoproteiini), joka toimii valo-aktiivisena protonipumppuna. Pumppu koostuu kahdesta osasta: bakterioopsiinista ja valoherkästä kofaktorista. Fotonin absorptiossa valoherkkä kofaktori muuttaa konformaatiotaan muuttaen myös bakteriorodopsiiniproteiinin konformaatiota, mikä ohjaa protonien kuljetusta. Näin muodostunutta protonigradienttia voidaan sitten käyttää kemiallisen energian tuottamiseen ATP-syntaasin kautta.

Saadakseen happea H. salinarum tuottaa kaasurakkuloita, joiden avulla se voi kellua veden pinnalla, jossa happitasot ovat korkeammat ja valoa on paremmin saatavilla. Nämä vesikkelit ovat monimutkaisia rakenteita, jotka koostuvat proteiineista, joita koodaa vähintään 14 geeniä. Kaasurakkuloita löydettiin ensimmäisen kerran H. salinarumista vuonna 1967.

UV-suoja ja väri 

H. salinarum altistuu suurille määrille UV-säteilyä, koska suola-altaissa on vähän suojaa auringolta. Kompensoidakseen vaurioita H. salinarumilla on kehittynyt DNA-korjausjärjestelmä. Genomi koodaa DNA-korjausentsyymejä, jotka ovat homologisia sekä bakteereilla että eukaryooteilla. Tämän ansiosta H. salinarum pystyy korjaamaan DNA:n vaurioita nopeammin ja tehokkaammin kuin muut organismit, ja siksi se sietää ultraviolettisäteilyä paremmin kuin monet muut organismit.

Bakterioruberiini on 50-hiilinen karotenoidi (polyoli) -pigmentti, joka on läsnä H. salinarum -bakteerin kalvossa, mikä antaa sille punaisen värin. Bakterioruberiinin ensisijainen tehtävä solussa on suojata UV-valon aiheuttamilta DNA-vaurioilta. Bakterioruberiini suojaa DNA:ta toimimalla antioksidanttina sen sijaan, että se suoraan estäisi tai absorboisi UV-valoa. Se suojaa solua UV-altistumisesta syntyneiltä reaktiivisilta happiradikaaleilta reagoimalla itse partikkelien kanssa. Tuotettu bakterioruberiiniradikaali on vähemmän reaktiivinen kuin alkuperäinen happiradikaali, jolloin se todennäköisemmin reagoi toisen radikaalin kanssa, ja seurauksena on radikaaliketjureaktion päättyminen.

H. salinarumin on havaittu olevan vastuussa joidenkin hypersuolaisten järvien, kuten Melbournessa Westgate Parkissa sijaitsevan järven kirkkaan vaaleanpunaisesta tai punaisesta ulkonäöstä. Järven väri riippuu Dunaliella salina -levän ja H. salinarumin välisestä tasapainosta.. Tutkimukset Hillierjärvellä Länsi-Australiassa ovat osoittaneet, että järvien vaaleanpunainen väri johtuu eri bakteerilajien, erityisesti Salinibacter ruber, synergiasta sekä levistä ja muista tekijöistä. Tutkijat löysivät kymmenen halofiilistä bakteeri- ja arkkilajia sekä useita Dunaliella-levälajeja, jotka lähes kaikki sisältävät vaaleanpunaista, punaista tai lohenväristä pigmenttiä.

Suoja ionisoivaa säteilyä ja kuivumista vastaan 
H. salinarum on polyploidi, joka kestää erittäin hyvin ionisoivaa säteilyä ja kuivumista, jotka olosuhteina yleensä aiheuttavat DNA:n kaksoisjuosteiden katkeamisen. Vaurioituneet kromosomit regeneroidaan hyödyntämällä päällekkäisiä fragmentteja. Regeneraatiossa hyödynnetään DNA:n yksijuosteista sitoutumisproteiinia homologiseen rekombinaatioon.

Perimä 
Koko genomisekvenssi on saatavilla kahdelle H. salinarum -kannalle, NRC-1 ja R1. Halobacterium sp. NRC-1-genomi koostuu 2 571 010 emäsparista yhdessä suuressa kromosomissa ja kahdessa minikromosomissa. Genomi koodaa 2 360 proteiinia. Suuri kromosomi on GC-rikas (68 %), mikä lisää vakautta äärimmäisissä ympäristöissä. Proteomivertailut osoittavat tämän halofiilin olevan arkeoni, jolla on yhtäläisyyksiä grampositiivisen Bacillus subtilis -bakteerin ja muiden bakteerien kanssa.

Malliorganismina 
H. salinarum on helppo kasvattaa, ja sitä käytetään malliorganismina monissa tutkimuksissa samalla tavoin kuin E. colia. Se soveltuu erinomaisesti arkeonien genetiikan ja funktionaalisen genomiikan tutkimukseen.

Vanhin eristetty DNA 
H. salinarumin läheisestä geneettisestä sukulaisesta peräisin olevan kapseloidun näytteen arvioidaan olevan 121 miljoonaa vuotta vanha. Materiaali oli eristetty jo aikaisemmin, mutta se oli niin samanlainen kuin nykyinen H. salinarum, että tutkijat olivat vahingossa tunnistaneet sen kontaminoiduksi H. salinarum genomiksi.

Lähteet 

Arkeonit