Thermus aquaticus

Thermus aquaticus je vrsta bakterija koje podnose visoke temperature i jedna je od nekoliko termofilnih bakterija iz grupe Deinococcus–Thermus. Ona je izvor toplotno-otpornog enzima Taq DNK polimeraze, jednog od najznačajnijih enzima u molekularnoj biologiji. To je zato što je ključna u polimeraznoj lančanoj reakciji (PCR) – tehnici umnožavanja sekvenci DNK.^[1][2]

Thermus aquaticus
Sistematika
Koljeno	Deinococcus–Thermus
Razred	Deinococci
Red	Thermales
Rod	Thermus
Vrsta	T. aquaticus
Dvojno ime
Thermus aquaticus Brock & Freeze, 1969

Biologija

Thermus aquaticus uspijeva na 70 °C, ali može preživjeti i na temperaturama od 50 °C do 80 °C. Ova bakterija je hemotrof, jer za dobijanje hrane obavlja hemosintezu. Međutim, s obzirom da se njen asortiman temperatura preklapa sa rasponom fotosintetskih cijanobakterija, koje s njima dijele to idealno okruženje, ponekad dolazi do toga da žive zajedno dobijajući energiju za rast od fotosinteze.^[3][4][5]

Morfologija

Thermus aquaticus je općenito cilindričnog oblika, s promjerom od 0.5 μm do 0,8 μm. Kraći štapić ima dužinu od 5 μm do 10 μm. Duži štapić ima dužinu koja se uveliko razlikuje, a u nekim slučajevima prelazi 200 µm. Bakterije u obliku štapića imaju tendenciju nakupljanja. Udruživanje nekoliko štapića može dovesti do stvaranja sfernih tijela u promjeru od 10 μm do 20 μm, koja se nazivaju obla tijela.

Historija

Kada su počela istraživanja bioloških organizama u vrućim izvorima početkom 1960-ih, naučnici su mislili da se život termofilnih bakterija ne može održati na temperaturama iznad 55 °C.^[6] Uskoro je otkriveno da mnoge bakterije u različitim izvorima ne samo da preživljavaju, nego napreduju i na višim temperaturama. Godine 1969., Thomas D. Brock i Hudson Freeeze na Indiana Univerzitetu u Bloomingtonu prijavljuju vrstu termofilnih bakterija koju su nazvali Thermus aquaticus.^[4] Bakterija je prvo otkrivena u geotermalnom području Donjeg gejzira u Nacionalnom parku Yellowstone, blizu glavnog Velikog gejzira (engleski: Great Fountain Geyser) i Bijelom kupolastom gejziru (White Dome Geyser),^[5] a od tada je nađena u drugim sličnim termalnim vodama širom svijeta.

Enzimi T. aquaticus

T. aquaticus je bakterija koja je postala poznata kao izvor termostabilnih enzima, posebno Taq DNK polimeraze.

Aldolaza

Istraživanja ove krajnje termofilne bakterije koja može rasti u kulturi ćelija, usmjerila su početnu pažnju na razumijevanje kako proteinski enzimi (koji su na visokoj temperaturi normalno inaktivirani) mogu djelovati na temperaturama za termofile. Godine 1970. naučnici Freeze i Brock su objavili rad koji opisuje termostablni aldolazni enzim iz T. aquaticus.^[7]

RNK polimeraza

Prvi polimerazni enzim, koji je izoliran iz T. aquaticus 1974. bila je DNK-zavisna RNK polimeraza,^[8] used in the process of transcription.

Taq I restrikcijski enzim

Većina molekularnih biologa je vjerovatno postala svjesna postojanja bakterije Thermus aquaticus tokom kasnih 1970-im ili početkom 1980-ih, zbog izolacije korisnih endonukleaznih restriktaza iz ovog organizma. Upotreba izraza Taq koji se odnosi na Thermus aquaticus pojavila se u Konvenciji davanja kratkih imena restrikcijskim enzimima, kao što su Sal i Hin, izvedeni iz roda i vrste izvornog organizma.^[9]

DNK polimeraza (Taq pol)

Glavni članak: Taq polimeraza

DNK polymeraza je i Thermus aquaticus, a izdvojena je 1976.^[10] Prvi napredak u ovom pravcu je bilo utvrđivanje termostabilnosti (optimum 80°C) DNK polimeraze, koja je izdvojena u čistom obliku (slobodnu od ostalih enzimskih kontaminanata) kada je DNK polimeraza dobijena iz ostalih izvora. Kasnije su Kary Mullis i drugi istraživači iz Cetus korporacije otkrili da bi se mogla upotrijebitri polimeraznoj lančanoj reakciji (PCR) – procesu za umnožavanje kratkih segmenata DNK,^[11] uklanjajući potrebu za dodavanje enzima nakon svakog ciklusa termo-denaturacuje DNK. Enzim je također i molekularno kloniran, DNK sekvenciran, izmijenjen (do kraćeg 'Stoffelovog fragmenta') i proizveden u velikim količinama za komercijalnu upotrebu.^[12] Godine 1989., elitni časopis Science je Taq polimerazu imenovao svojom molekulom godine ("Molecule of the Year").^[13] Kary Mullis^[14] je naučnik koji ju je otkrio, i dobio je Nobelovu nagradu za hemiju za rad istraživanju PCR.

Ostali enzimi

Visoki optimum temperature za Thermus aquaticus postigli su istraživači proučavanjem reakcija pod uslovima u kojima drugi enzimi gube aktivnost. Ostali enzimi koji su izdvojeni iz ovog organizma su:

• DNK ligaza,
• alkalna fosfataza,
• NADH oksidaza,
• izocitrat dehidrogenaza,
• amilomaltaza i
• fruktoza1,6-disfosfat-zavisni L-laktat dehidrogenaza.

Kontroverze

Komercijalna upotreba enzima Thermus aquaticus nije ostala bez kontroverzi. Nakon Brockovih istraživanja, uzorci organizma su pohranjeni u Kolekciji smeričkog tipa kulture, javnom spremištu. Drugi naučnici, zajedno sa onima iz Cetus korporacije su je dobili odatle. Kako je komercijalne mogućnosti Taq polimeraze postale očigledne 1990-ih,^[15] National Park Service je označio njegovu upotrebu kao izuzetno korisnu.^[16] Istraživači koji rade u nacionalnim parkovima sada traže da potpišu sporazum o "diobi koristi", koji će poslati dio kasnije dobiti natrag u park servis.