Архебактерії в біокомп’ютерах
Архебактерії – перші на Землі, перші в біокомп'ютерах?
Архебактерії досить давно відомі як об'єкт найрізноманітніших мікробіологічних, генетичних та біохімічних досліджень (Stoeckenius et al., 1979, Sapienza, Doolittle, 1982, Pfeifer, Betlach, 1985). Загальновизнано, що цей інтерес пов'язаний, перш за все, з їх здатністю використовувати енергію сонячного світла для часткового забезпечення енергетичних потреб внутрішньоклітинних процесів біосинтезу (Katznelson, Lochhead, 1952), а також з унікальними вимогами до зростання умов, вираженими потребою в надзвичайно високому вмісті хлору. (Звідси назва найбільш вивченого роду архебактерій – галобактерії).
Таксономічні дослідження представників Archaebacteria практично завжди підкреслювали своєрідність і незвичайність цих мікроорганізмів. Найновіші системи класифікації, засновані на зіставленні біохімічних і генетичних ознак, найчастіше підтверджують відокремленість представників даного таксона як істинних бактерій, і від еукаріотичних мікроорганізмів (Woese et al., 1990, May, Dennis, 1990, Mukohata et al. Jochi, Dennis, 1993, Ruepp et al., 1995, Goldman, Kranz, 1998). Зокрема однією з важливих таксономічних ознак мікроорганізмів є склад клітинних мембран. Виявилося, що на відміну від еубактеріальних та еукаріотичних організмів, що мають ліпіди на основі спиртів і жирних кислот, ліпіди архебактерій в основному представлені ізопраніловими ефірами гліцерину і синтезуються шляхом конденсації гліцерину з ізопреноїдними спиртами з числом вуглецевих атомів 20, 1988).
Багатьма дослідниками висловлювалася думка, що самеархебактерії були основною формою життя Землі у її період. Одним з важливих аргументів на користь цієї ідеї може бути та обставина, що представники багатьох видів архебактерій використовують як єдине джерело вуглецю - тобто як ростовий субстрат для біосинтезу всіх компонентів клітинної маси - різні амінокислоти. Як відомо, саме виявлення амінокислот у Космосі та у модельних первинних бульйонах – коацерватних краплях – вважається важливим доказом на користь можливості зародження біологічного життя взагалі і на нашій планеті зокрема. Можна припустити, що живильне середовище для архебактерій на Землі могло сформуватися на ранніх етапах біологічної еволюції.
Наразі, на думку низки фахівців, продовження досліджень археобактерій потребує пильного вивчення інших таксономічно значущих ознак, наприклад, ферментативних реакцій нових видів. (Oren, 1994).
На жаль, на сьогоднішній день генетичні та біохімічні дослідження архебактерій, і зокрема, галобактерій відрізняє помітна "однобокість" - більшість отриманих та охарактеризованих мутантів, а також клонованих структурних та регуляторних ділянок генів так чи інакше пов'язані з однією, дійсно дуже цікавою біологічною системою - системою фоторецепції. Справедливо було б відзначити, що до теперішнього часу накопичено досить багато інформації і про інші клітинні системи представників Archaebacteria, наприклад, транспорту екзогенних сполук у клітини. Однак ці відомості не можна вважати вичерпними. Сказане відноситься як до транспорту цукрів - речовин, що мають порівняно слабкий вплив на ріст і функціонування клітинних систем представників цього таксону, так і до транспорту амінокислот - основного.джерела вуглецю, азоту та енергії. Ця обставина, здавалося б, мала стати приводом для ретельного вивчення особливостей надходження та подальших перетворень амінокислот у клітинах архебактерій. Тим не менш, даних про проведення подібних цілеспрямованих досліджень не з'являлося в науковій періодиці вже кілька років.
Разом з тим, у міру розширення використання галофільних бактерій як промислових продуцентів тих чи інших біологічно активних сполук (БАС), спостерігається все більший інтерес і до накопичення нових знань про біохімічні та інші особливості цих мікроорганізмів. На сьогоднішній день найбільший обсяг інформації зібраний про галобактерії видуHalobacterium salinarium(раніше даний вид носив назвуH. halobium).
Слід зазначити, що, як показали дослідження, галобактерії є досить чутливими до змін у співвідношеннях компонентів ростових середовищ. Вище вже відзначалася здатність більшості представників Archaebacteria рости на живильних середовищах з амінокислотами як єдине джерело вуглецю і одного з двох джерел енергії - мається на увазі, що другим джерелом енергії є фотопроцес (MacDonald et al., 1977, Lany 1978). Для вирощування галобактерій у значних обсягах використовуються ростові середовища, різноманітні за складом та змістом компонентів (залежно від завдань експерименту), але з двома обов'язковими складовими - хлоридом натрію у високій концентрації та тим чи іншим набором амінокислот. Найбільш широко застосовуваним джерелом останніх, при культивуванні галобактерій, є різні гідролізати білків (або біомаси) мікробного, рослинного або тваринного походження. Багато біохімічних фірм випускають зараз чудовіпрепарати білкових гідролізатів з досить точно охарактеризованим і відтворюваним рік у рік складом. Переважна більшість лабораторій успішно проводить дослідження, напрацьовуючи біомасу на середовищах із такими препаратами. Ідеальним варіантом гідролізату може вважатися препарат казамінових кислот – продукт повного кислотного гідролізу казеїну. У ряді випадків використовують дешевші гідролізати, найчастіше з неконтрольованим складом. Застосування середовищ, приготовлених на таких ростових субстратах, зрозуміло, виправдано економічно, але у ряді випадків може призводити до невідтворюваності результатів. У ряді робіт зазначалося, що, наприклад, варіювання сольового складу повноцінних середовищ, що призводить до зміни рівня накопичення біомаси та форми клітин галобактерій (Brown, Gibbons, 1955). Загалом, проте, бактеріїHalobacteriumна повноцінних середовищах виявляють хороше зростання. Вітаміни виступають як стимулятори на ранніх стадіях розвитку культури, вуглеводи є стимуляторами лише за відсутності ліміту з іонів калію. Таким чином, сучасні галобактерії, які успадкували свої унікальні властивості від перших архебактерій, можна, загалом, вважати досить "не вибагливими" щодо ростових субстратів.
Цілком особливого значення набувають синтетичні ростові середовища для архебактерій, якщо вони застосовуються в прецизійних молекулярно-біологічних або біохімічних дослідженнях тих чи інших БАС. Такі науково-експериментальні роботи часто пов'язані з введенням в молекули атомів ізотопів, що вивчаються. Оскільки досить часто ізотопні мітки азоту або вуглецю вводять до складу білків саме через введення в ростове середовище мічених амінокислот, кількома дослідницькими групами було визначено "мінімальне необхідне" їх число інеобхідні концентрації. На даний момент широко використовується ростове середовище, що містить десять амінокислот: аргінін, валін, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, серин, тирозин, треонін, фенілаланін (Onishi et al., 1965). Потреба бактерій у інших амінокислотах заповнюється рахунок внутрішньоклітинних метаболічних перетворень, що відбуваються за відомими схемами. Так, за літературними даними [4- 13 C]-аспарагінова кислота, як метаболічний попередник метіоніну, треоніну та лізину, не може забезпечити специфічного мічення молекул бактеріородопсину, а включає 13 C-мітку в цей білок за амінокислотними залишками ще й глутаміну, проліну, треоніну, лізину (Engeihard et al., 1985). "Перехресне" перебіг спостерігали і при введенні в синтетичне ростове середовище 15 N-амінокислот: 15 N-мітка валіну виявлялася в лейцинових залишках, 15 N-лейцин давав 15 N-ізолейцин, 15 N-валін і 15 N-глютамін, фенілаланін давав 15 N-триптофан та сліди 15 N-тирозину (Orechov et al., 1992).
Швидше за все, існує принципова кореляція між наявністю або відсутністю певних метаболічних систем архебактерій, складом ростових середовищ для галофільних бактерій і амінокислотним складом "первинного бульйону" Землі. Однак прямого експериментального шляху перевірити це припущення на сьогодні, на жаль, немає. Можливо, подальші дослідження допоможуть його знайти. В даний час низка світових наукових центрів і лабораторій виявляє значний інтерес до галофільних бактерій як джерела бактеріородопсину (БР) - білка з унікальними властивостями, що має хороші можливості для застосування в оптоелектронних пристроях. Слід сподіватися, що необхідність отримання значних кількостей БР та його мутантних та мічених стабільними ізотопами аналогів вимагатиме.істотного просування щодо вивчення генетичних і біохімічних особливостей представників цього роду архебактерій.