Deinococcus radiodurans: säteilynkestävä bakteeri ja DNA:n korjausmekanismit
Deinococcus radiodurans — äärimmäisen säteilynkestävä bakteeri, sen tehokkaat DNA:n korjausmekanismit, geneettinen redundanssi ja geenimuokkausmahdollisuudet sovelluksissa.
Deinococcus radiodurans on grampositiivinen, liikkumaton ja punapigmenttinen bakteeri, joka havaittiin ensimmäisen kerran säteilytettyjen lihakonservien saastuttajaksi vuonna 1956. Solut muodostavat usein tetradeja (neljän solun ryhmiä) ja niiden pigmentti, deinoksantiini, antaa niille punaisen värin ja toimii osittain antioksidanttina. Soluseinärakenne on poikkeava moniin muihin bakteereihin verrattuna, mikä yhdessä muiden tekijöiden kanssa auttaa solua selviytymään ympäristön rasituksista.
Säteilynkestävyys ja selviytymismekanismit
Deinococcus radioduransilla on
- monikoploinen genomi (useita identtisiä DNA-kopioita, mikä helpottaa virheettömän informaation palauttamista),
- tehokkaat DNA:n korjausjärjestelmät, erityisesti homologinen rekombinaatio ja RecA-riippuvaiset korjausreaktiot,
- geenien redundanssi ja kromosomien järjestelyt, jotka mahdollistavat fragmentoituneen DNA:n järjestelmällisen yhdistämisen,
- solun proteiineja suojaavat antioksidanttijärjestelmät, mukaan lukien suuret määrät mangan-ioneja ja manganiin sitoutuvia komplekseja, jotka vähentävät hapettavaa vauriota proteiineissa,
- entsymaattiset redoksijärjestelmät, kuten tioredoksiini- ja glutationityyppiset järjestelmät, jotka ylläpitävät proteiinien toiminnallista tilaa vaurioitumisen jälkeen.
Deinococcuksen kyky toipua esimerkiksi kuivumisesta (desikaatiosta) liittyy pitkälti samoihin korjausmekanismeihin kuin säteilynkestävyys: desikointi aiheuttaa DNA:n katkeamia ja oksidatiivisia vaurioita, joihin laji pystyy vastaamaan tehokkaasti. Se kestää myös lyhytaikaisesti nälkäkuolemaa ja muita stressitekijöitä. Laji on osoittautunut erittäin sietokykyiseksi erilaisille säteilyn muodoille, erityisesti gammasäteilylle, ja sitä pidetään edelleen yhtenä tunnetuista säteilynkestävämmistä organismeista.
Biokemialliset komponentit ja geenituotteet
Solun sisäisiä suojaus- ja korjausprosesseja tukevat useat proteiinit ja entsyymit. Esimerkiksi tioredoksiini-reduktaasi on entsyymi, joka osallistuu solun redoksitasapainon ylläpitoon ja voi olla osa vasteketjua, joka suojaa korjausproteiineja hapettumiselta. Lisäksi D. radioduransilla on geenisekvenssejä, jotka koodaavat proteiineja muistuttavia soluissa esiintyviä korjausentsyymejä muissa bakteereissa esiintyviin verrattuna: eräs sen proteiineista on samankaltainen kuin E. colista tunnettu RecD-entsyymi. Tämä havainto viittaa siihen, että RecD:n kaltainen proteiini on merkittävä osa sen käyttämää korjausjärjestelmää, vaikka Deinococcus käyttää korjauksessaan laajaa proteiinivalikoimaa ja erikoistuneita mekanismeja.
Sovellukset ja geeninsiirtoyrittelyt
Deinococcus radioduransin ominaisuuksia tutkitaan sekä perustutkimuksessa että sovelluksissa. Erityisesti sen säteilyn- ja desikointinsietokyky tekee siitä kiinnostavan bioremediatiiviseksi apuvälineeksi radioaktiivisten jätteiden tai säteilyn saastuttamien alueiden puhdistukseen, esimerkiksi orgaanisten yhdisteiden hajottajana ankarissa olosuhteissa. Lisäksi sen korjausjärjestelmien komponentteja on ehdotettu siirrettäviksi muihin organismeihin tarkoituksena parantaa niiden kestävyysominaisuuksia.
Esimerkkinä geeninsiirtoyrittelystä eräs kiinalainen tutkimusryhmä on pyrkinyt lisäämään D. radioduransista peräisin olevaa ekspressiivistä rekombinantti-Mn-SOD-proteiinia E.coli BL21:een. Mn-SOD (manganrikkasuperoksididismutaasi) voi vähentää hapettavaa stressiä, ja tällainen siirto voi teoriassa lisätä vastaanottajalajin selviytymiskykyä oksidatiivisten vaurioiden yhteydessä. Todellisuudessa haasteita ovat kuitenkin muun muassa proteiinin oikea laskostuminen ja stabiilisuus uudessa isäntäorganismissa, sääntelyn sopeuttaminen, metaboliset kustannukset sekä geenin säilyminen ja ilmentyminen pitkällä aikavälillä. Näiden ongelmien ratkaiseminen vaatii usein monialaista lähestymistapaa, joka yhdistää genetiikan, proteiinikemian ja solubiologian menetelmiä.
Yhteenveto
Deinococcus radiodurans on erikoistunut bakteeri, jonka poikkeuksellinen säteilynkestävyys ja kyky korjata vakavat DNA-vauriot tekevät siitä kiinnostavan sekä perustutkimuksen kohteena että mahdollisena työkaluna sovelluksissa, kuten bioremediaatiossa ja geneettisessä muokkaamisessa. Sen selviytymisstrategiat perustuvat moniin rinnakkaisiin mekanismeihin: tehokkaisiin DNA:n korjausjärjestelmiin, proteiinisuojaan, genomin redundanssiin ja erikoistuneisiin redoksijärjestelmiin. Tieteellinen yhteisö jatkaa näiden mekanismien selvittämistä ja niiden hyödyntämismahdollisuuksien tutkimista.
Suku
Deinococcus-sukuun kuuluu 47 lajia, joilla on nämä ominaisuudet. D. radiodurans on laji, joka löydettiin ensimmäisenä ja jolla on tehty eniten kokeita. Kaikki suvun jäsenet ovat radiokestäviä.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on Deinococcus radiodurans?
V: Deinococcus radiodurans on grampositiivinen, liikkumaton, punapigmenttinen bakteeri, joka tunnistettiin alun perin säteilytetyn lihakonservin saastuttajaksi vuonna 1956.
K: Mitä järjestelmiä Deinococcus radioduransilla on ja mistä se voi toipua?
V: Deinococcus radioduransilla on DNA:n korjausjärjestelmät, DNA-vaurioiden vienti ja geneettinen redundanssi. Se voi toipua kuivumisesta (veden menetyksestä) ja nälkiintymisestä.
K: Mikä on Deinococcus radioduransin sietokyky säteilyä kohtaan?
V: Deinococcus radiodurans sietää hyvin hyvin säteilyn muotoja, kuten gammasäteilyä, ja se tunnetaan radioaktiivisesti kestävimpänä organismina.
K: Mikä on tioredoksiinireduktaasi?
V: Tioredoksiini-reduktaasi on entsyymi, jota esiintyy solujen reaktiossa DNA:n kaksoissäikeiden katkeamisiin.
K: Mikä on RecD:n kaltainen proteiini D. radioduransissa ja mihin se viittaa?
V: D. radioduransilla on geenisekvenssi, joka koodaa proteiinia, joka on hyvin samankaltainen kuin E. colista löytyvä RecD-entsyymi. Tämä merkittävä havainto viittaa siihen, että tämä RecD:n kaltainen proteiini D. radioduransissa on tärkeä osa sen käyttämää korjausjärjestelmää.
Kysymys: Onko mahdollista tehdä muista bakteereista yhtä säteilynkestäviä kuin D. radiodurans?
V: Saattaa olla mahdollista tehdä muista bakteereista yhtä säteilynkestäviä kuin D. radiodurans muuttamalla niiden perimää.
K: Mikä on todellinen haaste D. radioduransin ekspressiivisen rekombinantti Mn-SOD-proteiinin lisäämisessä E.coli BL21:een?
V: Todellinen haaste D. radioduransista peräisin olevan ekspressiivisen rekombinantti-Mn-SOD-proteiinin lisäämisessä E.coli BL21:een on saada proteiini säilymään itsekantavana uudessa lajissa.
Etsiä