Ջրային ջերմասեր

Ջրային ջերմասեր (լատ. Thermus aquaticus) բարձր ջեմաստիճաններում ապրող բակտերիայի տեսակ, Deinococcota տիպին պատկանող մի շարք ջերմասեր (թերմոֆիլ) բակտերաների տեսակներից։ Այն ջերմակայուն Taq ԴՆԹ պոլիմերազ ֆերմենտի աղբյուրն է, որը մոլեկուլային կենսաբանության ամենակարևոր ֆերմենտներից է, քանի որ այն օգտագործվում է պոլիմերազի շղթայական ռեակցիայի (PCR, հայ. ՊՇՌ) ԴՆԹ-ի ուժեղացման տեխնիկայում։

Պատմություն 

Երբ 1960-ականներին սկսվեցին տաք աղբյուրներում կենսաբանական օրգանիզմների ուսումնասիրությունները, գիտնականները կարծում էին, որ ջերմասեր բակտերիաների կյանքը չի կարող պահպանվել մոտ 55 °C (131 °F)-ից բարձր ջերմաստիճաններում։ Շուտով, սակայն, պարզվեց, որ բազմաթիվ բակտերիաներ տարբեր աղբյուրներում ոչ միայն գոյատևել են, այլև ծաղկել են ավելի բարձր ջերմաստիճաններում։ 1969 թվականին Թոմաս Դ. Բրոքը և Հադսոն Ֆրիզը Ինդիանայի համալսարանից զեկուցեցին ջերմասեր բակտերիաների նոր տեսակի մասին, որը նրանք անվանեցին Thermus aquaticus: Բակտերիան առաջին անգամ մեկուսացվել է Սնկի աղբյուրից Ելոուսթոն ազգային պարկի Ստորին գեյզեր ավազանում, որը գտնվում է հիմնական Մեծ Շատրվանային գեյզերի և Սպիտակ Գմբեթ գեյզերի մոտ, և այդ ժամանակվանից այն հայտնաբերվել է նմանատիպ ջերմային միջավայրերում ամբողջ աշխարհում։

Կենսաբանություն 
T. aquaticus-ը լավագույնս աճում է 65–70 °C (149–158 °F) ջերմաստիճաններում, բայց կարող է գոյատևել 50–80 °C (122–176 °F) ջերմաստիճաններում։ Այն հիմնականում հեռացնում է սպիտակուցները իր միջավայրից, ինչի մասին վկայում են մեծ թվով արտաբջջային և ներբջջային պրոտեազներ և պեպտիդազներ, ինչպես նաև իր բջջային թաղանթի վրա ամինաթթուներ և օլիգոպեպտիդներ տեղափոխող սպիտակուցների առկայությունից։ Այս բակտերիան քեմոտրոֆ է. այն քիմիոսինթեզ է կատարում սնունդ ստանալու համար։ Այնուամենայնիվ, քանի որ նրա ջերմաստիճանի միջակայքը որոշ չափով համընկնում է ֆոտոսինթետիկ ցիանոբակտերիաների հետ, որոնք կիսում են իրենց իդեալական միջավայրը, այն երբեմն հայտնաբերվում է հարևանների հետ համատեղ ապրելով՝ աճի էներգիա ստանալով նրանց ֆոտոսինթեզից։ T. aquaticus-ը սովորաբար շնչում է աերոբիկ եղանակով, սակայն նրա շտամներից մեկը՝ Thermus aquaticus Y51MC23-ը, կարող է աճել անաէրոբ եղանակով։

T. aquaticus-ի գենետիկական նյութը բաղկացած է մեկ քրոմոսոմից և չորս պլազմիդից, և դրա ամբողջական գենոմի սեքվենավորումը բազմաթիվ տեղամասերում երևան հանեց բազմաթիվ CRISPR գեներ։

Կազմաբանություն 
Thermus aquaticus-ը սովորաբար գլանաձեւ է, 0,5 մկմ-ից 0,8 մկմ տրամագծով։ Ցուպիկը ունի 5 մկմ-ից մինչև 10 մկմ երկարություն։ Պարուրաձև տեսակն ունի ավելի երկար ձև, որը մեծապես տարբերվում է և որոշ դեպքերում գերազանցում է 200 մկմ։ T. aquaticus-ը տարբեր կուլտուրաներում ցույց է տվել բազմաթիվ հնարավոր մորֆոլոգիաներ։ Ցուպիկները համախմբվելու հակում ունեն։ Մի քանի անհատների միավորումները կարող են հանգեցնել 10 մկմ-ից 20 մկմ տրամագծով գնդաձև մարմինների ձևավորմանը, որոնք նաև կոչվում են կլոր մարմիններ։ Այս մարմինները կազմված չեն բջջային ծրարից կամ արտաքին թաղանթային բաղադրիչներից, ինչպես նախկինում ենթադրվում էր, այլ փոխարենը պատրաստված են վերափոխված պեպտիդոգլիկան բջջային պատից։ Նրանց ստույգ գործառույթը T. aquaticus-ի գոյատևման գործում մնում է անհայտ, սակայն տեսականորեն ենթադրվում է, որ ներառում է սննդի և նուկլեոտիդների ժամանակավոր պահեստավորում, կամ նրանք կարող են դեր խաղալ գաղութների կցման և կազմակերպման մեջ։

T. aquaticus-ի ֆերմենտները 
T. aquaticus-ը հայտնի է դարձել որպես ջերմակայուն ֆերմենտների, մասնավորապես՝ Taq ԴՆԹ պոլիմերազի աղբյուր, ինչպես նկարագրված է ստորև։

Ալդոլազ 
Այս ծայրահեղ ջերմասեր մանրէի ուսումնասիրությունը, որը աճեցվում էր բջիջների կուլտուրայում, սկզբում կենտրոնացած էր փորձերի վրա՝ հասկանալու, թե ինչպես են ֆերմենտները, որոնք սովորաբար չեն գործում բարձր ջերմաստիճանում, գործում թերմոֆիլների բարձր ջերմաստիճանում։ 1970 թվականին Ֆրիզը և Բրոքը հոդված են հրապարակել, որտեղ նկարագրվում է ջերմակայուն ալդոլազ ֆերմենտը T. aquaticus-ից։

ՌՆԹ պոլիմերազ 
1974 թվականին T. aquaticus-ից մեկուսացված առաջին պոլիմերազային ֆերմենտը ԴՆԹ-ից կախված ՌՆԹ պոլիմերազն էր, որն օգտագործվում էր տրանսկրիպցիայի գործընթացում։

Taq I արգելակող ֆերմենտ 
Մոլեկուլային կենսաբաններից շատերը հավանաբար գիտեին T. aquaticus-ի մասին 1970-ականների վերջին կամ 1980-ականների սկզբին՝ այս օրգանիզմից օգտակար արգելակող էնդոնուկլեազների մեկուսացման պատճառով։ Taq տերմինի օգտագործումը Thermus aquaticus-ին մատնանշելու համար առաջացել է այս պահին սահմանափակող ֆերմենտներին կարճ անուններ տալու կոնվենցիայից, ինչպիսիք են Սալը և Հինը, որոնք ստացվել են սկզբնաղբյուր օրգանիզմների ցեղից և տեսակից։

ԴՆԹ պոլիմերազ ("Taq pol") 
ԴՆԹ պոլիմերազը առաջին անգամ մեկուսացվել է T. aquaticus-ից 1976թ.-ին։ Այս ջերմակայուն (օպտիմալ ջերմաստիճանը 72°C, չի քայքայվում նույնիսկ 95°C-ում) ԴՆԹ պոլիմերազի առաջին առավելությունն այն էր, որ այն կարող էր մեկուսացվել ավելի մաքուր ձևով (առանց այլ ֆերմենտային աղտոտիչների), քան այլ աղբյուրներից ստացված ԴՆԹ պոլիմերազը։ Ավելի ուշ, Կարի Մալիսը և Cetus Corporation-ի այլ հետազոտողներ հայտնաբերեցին, որ այս ֆերմենտը կարող է օգտագործվել պոլիմերազային շղթայական ռեակցիայի (ՊՇՌ) գործընթացում՝ ԴՆԹ-ի կարճ հատվածների ուժեղացման համա ր՝ վերացնելով E. coli-ի պոլիմերազային ֆերմենտների ավելացման անհրաժեշտությունը ԴՆԹ-ի ջերմային քայքայման յուրաքանչյուր ցիկլից հետո։ Այս ֆերմենտը նաև կլոնավորվեց, սեքվենավորվեց, ձևափոխվեց (ավելի կարճ «Սթոֆել ֆրագմենտ» արտադրելու համար) և մեծ քանակությամբ արտադրվեց մեծածախ վաճառքի համար։ 1989 թվականին Science ամսագիրը Taq polymerase-ն անվանեց իր առաջին «Տարվա մոլեկուլը»։ 1993 թվականին Մալիսն արժանացել է քիմիայի Նո բելյան մրցանակի՝ ՊՇՌ-ի հետ աշխատանքի համար։

Այլ ֆերմենտներ 
T. aquaticus-ի համար բարձր օպտիմալ ջերմաստիճանը թույլ է տալիս հետազոտողներին ուսումնասիրել ռեակցիաները այն պայմաններում, որոնց դեպքում այլ ֆերմենտները կորցնում են ակտիվությունը։ Այս օրգանիզմից մեկուսացված այլ ֆերմենտներ ներառում են ԴՆԹ լիգազը, ալկալային ֆոսֆատազը, NADH օքսիդազը, իզոցիտրատ դեհիդրոգենազը, ամիլոմալթազը և ֆրուկտոզ 1,6-դիֆոսֆատից կախված L-լակտատ դեհիդրոգենազը։

Քննդատություններ 
T. aquaticus-ից ֆերմենտների լայնածավալ օգտագործումը չի եղել առանց հակասությունների։ Բրոքի ուսումնասիրություններից հետո օրգանիզմի նմուշները պահվեցին Ամերիկյան Type Culture Collection-ում՝ հանրային շտեմարանում։ Այլ գիտնականներ, այդ թվում՝ Cetus Corporation-ի գիտնականները, այն ստացել են այնտեղից։ Քանի որ Taq պոլիմերազի առևտրային ներուժը ակնհայտ դարձավ 1990-ականներին, Ազգային պարկի ծառայությունը դրա օգտագործումը պիտակեց որպես «Great Taq Rip-off» («Taq-ի մեծ շահագործում»)։ Ազգային պարկերում աշխատող հետազոտողներից այժմ պահանջվում է ստորագրել «օգուտների բաշխման» համաձայնագրեր, որոնք հետագայում շահույթի մի մասը կուղարկեն Պարկի ծառայությանը։

Տես նաև 

 Կենսատեխնոլոգիա
 Գեյզեր

Ծանոթագրություններ

Գրականություն

Արտաքին հղումներ 

 Type strain of Thermus aquaticus at BacDive -  the Bacterial Diversity Metadatabase

Բակտերիաներ
Բակտերիաներ այբբենական կարգով
Գրամ-դրական բակտերիաներ
Ամառային երիտասարդական վիքիճամբարի հոդվածներ