موضوع:
Genetic of extermophiles
(barophiles bacteria)
ژنتیک اکسترموفیل ها
(باکتری های باروفیل)
فهرست مطالب
میکروآئروفیل ها
بیولوژی مولکولی باکتری های باروفیل
جداسازی و شناسایی میکروارگانیسم های سازگار با فشار از محیط های دریایی عمیق
شناسایی ژن های تحت کنترل فشار از اعماق دریا
بیان ژن تنظیم شده با فشار در باکتری اعماق دریا
نتیجه گیری
منابع
چکیده
اکسترموفیل ها: مروری بر میکروارگانیسم های محیط سخت
ترموفیل ها
سایکروفیل ها(سرما دوست ها)
اسیدوفیل ها/ قلیایی دوست ها
پیزوفیل ها(فشار دوستها)
رادیوفیل ها
زایروفیل ها (خشکی دوست ها)
متالوفیل ها
هالوفیل ها (نمک دوست ها)
5/6/2025
3
چکیده
ارگانیسم های اکستروموفیل در درجه اول پروکاریوتی هستند ها و نمونه های یوکاریوتی کمی دارند .
اکستروموفیل ها از اهمیت بیوتکنولوژیکی برخوردار هستند، زیرا آنها اکسترموزیم هایی تولید می کنند که به عنوان آنزیم هایی تعریف می شود که در شرایط شدید عملکرد دارند.
اکستروموفیل ها با شرایط محیطی که در آن به طور مطلوب رشد می کنند تعریف می شوند.
4
چکیده
اکسترموزیم به دلیل توانایی آنها در فعال ماندن تحت شرایط شدیدی که معمولاً در این فرآیندها استفاده می شود، در فرآیندهای تولید صنعتی و کاربردهای تحقیقاتی مفید هستند.
اکستروموفیل ها بقایای موجودات اولیه هستند و بنابراین مدل هایی از زندگی باستانی هستند.
5/6/2025
5
اکسترموفیل ها: مروری بر میکروارگانیسم های محیط سخت
اکسترموفیل(extremus) به معنای افراطی، موجودی است که در آن رشد می کند و حتی ممکن است به شرایط شدید فیزیکی یا ژئوشیمیایی نیاز داشته باشد که برای اکثریت حیات روی زمین مضر است.
5/6/2025
6
اکسترموفیل ها: مروری بر میکروارگانیسم های محیط سخت
در مقابل، ارگانیسم هایی که در محیط های معتدل تری زندگی می کنند مزوفیل یا نوتروفیل نامیده می شوند. در دهه های 1980 و 1990، زیست شناسان دریافتند که حیات میکروبی انعطاف پذیری شگفت انگیزی برای زنده ماندن در محیط های سخت دارد. برای مثال سوله هایی که فوق العاده گرم یا اسیدی هستند برای موجودات پیچیده کاملا“ نامناسب است.
اکثر اکسترموفیل های شناخته شده میکروب ها هستند. دامنه Archaea شامل نمونه های معروفی است، اما اکسترموفیلها در دودمانهای ژنتیکی متعدد و متنوع هم از باکتریها و هم باستانیان وجود دارند.
5/6/2025
7
کشف میکروارگانیسم های اکستروموفیل جدید و آنزیم های آنها تاثیر زیادی در زمینه بیوکاتالیز دارد. یک اکستروموفیل ارگانیسمی است که در شرایط شدید رشد می کند یا به آن نیاز دارد، یعنی برای زنده ماندن در طاقچه های اکولوژیکی متنوع سازگار شده است. این شرایط(شدید) می تواند به افراط های فیزیکی و ژئوشیمیایی مانند دما، فشار، تابش، شوری،pH ، وجود ترکیبات سمی و در دسترس بودن آب اشاره داشته باشد.
براین اساس، رده های مختلفی از اکستروموفیل ها وجود دارد که هرکدام مربوط به محیط های(شرایط) متفاوتی است که میکروارگانیسم ها با آن سازگار شده اند.
5/6/2025
8
ترموفیل ها:
میکروارگانیسم های ترموفیل (دمای رشد بهینه 500 درجه سانتیگراد یا بالاتر) توجه زیادی را در بین اکسترموفیل ها به خود جلب کرده اند زیرا آنها منابع آنزیم های پایدار در برابر حرارت هستند. آنها را می توان به طور کلی به ترموفیل های متوسط ، ترموفیل های شدید و هایپرترموفیل طبقه بندی کرد. ترموفیل ها از مناطق مختلف اکولوژیکی مانند چشمه های آب گرم، دریای عمیق زمین جدا شده اند.
5/6/2025
9
آنزیم هایی که از چنین میکروارگانیسم هایی جدا شده اند ویژگی های منحصر به فردی از خود نشان می دهند که بسیار پایدار در برابر حرارت هستند و معمولاً در برابر برخی از دناتوره های شیمیایی مقاوم هستند.
دلایل بهره برداری از آنزیم های پایدار / فعال در دماهای بالاتر عمدتاً به این دلیل است که آنها برای اجرای فرآیندهای بیوتکنولوژیکی در دماهای بالا که مزایای زیادی دارند مناسب تر هستند.
آنزیم های ترموفیل پتانسیل بالایی در صنایع شوینده، مواد غذایی، خوراک، نشاسته، نساجی، چرم، خمیر و کاغذ و صنایع داروسازی نشان می دهند.
ترموفیل ها:
5/6/2025
10
میکروارگانیسم های سایکروفیل ها (دمای رشد 150 درجه سانتیگراد یا کمتر) یا مقاوم به سرمادر محیط های با دمای پایین زمین، از جمله مناطق قطبی، یخچال های طبیعی، اعماق اقیانوس ها، مناطق کم عمق زیرزمینی، جو فوقانی، دستگاه های یخچال و روی و در گیاهان و حیوانات ساکن در مناطق سردسیر یافت می شوند.
آنزیم های سرما دوست تولید شده توسط چنین میکروارگانیسم های سازگار با سرما کارایی کاتالیزوری بالایی را در دمای پایین نشان می دهند که پتانسیل قابل توجهی را در صنایع شوینده، نساجی، مواد غذایی، داروسازی،چرم، آبجوسازی و شراب، کاغذ و خمیر کاغذ ارائه می دهد.
سایکروفیل ها(سرما دوست ها)
5/6/2025
11
اسیدوفیل ها/ قلیایی دوست ها :
قلیایی دوست ها دسته ای از اکسترموفیلها هستند که در محیط های قلیایی با pH 8 یا بیشتر مانند دریاچه های سودا و خاکهای غنی از کربنات رشد می کنند. از طرف دیگر اسیدوفیل ها به سمت شرایط اسیدی با pH بهینه برای رشد در pH کمتر از 3 تمایل دارند. آنزیم های درون سلولی این میکروارگانیسم ها نیازی به سازگاری با شرایط رشد سخت ندارند، در حالی که آنزیم های خارج سلولی آنها باید بسته به منبع آنها در محیط های با pHپایین یا بالا عمل کنند. برای سازگاری pH ، قلیایی دوست ها و اسیدوفیلها از چند استراتژی استفاده می کنند.
5/6/2025
12
اسیدوفیل ها/ قلیایی دوست ها :
عمده کاربردهای صنعتی این آنزیم ها در فرآیندهایی است که در pH بالا انجام می شود مانند صنایع شوینده , پوست زدایی , صنایع خمیر و کاغذ , هیدرولیز نشاسته و فرآوری مواد غذایی است.
5/6/2025
13
پیزوفیل ها(فشار دوستها):
میکروارگانیسم هایی که شرایط فشار بالا را ترجیح می دهند پیزوفیل(باروفیل) نامیده می شوند. اقیانوس ها یا اعماق دریاها محل زندگی این میکروارگانیسم ها هستند. آنزیم های جدا شده از پیزوفیل ها در فشار بالا پایدار هستند و نیازی به سازگاری های خاص مربوط به فشار ندارند. میکروارگانیسمهای پیزوفیل و آنزیمهای آنها پتانسیل قابلتوجهی برای استفاده در بیوتکنولوژی، به ویژه برای صنایع غذایی، که در آن فشار بالا برای پردازش و استریل کردن مواد غذایی اعمال میشود، دارند.
5/6/2025
14
پیزوفیل ها(فشار دوستها):
ارگانیسم هایی که توانایی رشد در شرایط بسیار خشک و یا در حضور فعالیت آبی بسیار کم را دارند، خشک دوست محسوب می شوند. با این حال، تنها برخی از جنس های تخصصی از بین باکتری ها، مخمرها، قارچ ها، گلسنگ ها، جلبک ها می توانند در چنین محیطی زنده بمانند. زیراوفیل ها مسئول فاسد شدن غذاهای خشک و غلات ذخیره شده، ادویه جات، آجیل و دانه های روغنی هستند.
5/6/2025
15
رادیوفیل ها
میکروارگانیسم هایی که در برابر اشعه یونیزان و اشعه ماوراء بنفش بسیار مقاوم هستند رادیوفیل نامیده می شوند. این میکروارگانیسم های مقاوم در برابر تشعشع پتانسیل بالایی در تصفیه پسماندهای محیطی رادیواکتیو از خود نشان می دهند.
رادیوفیل ها اخیر اً به دلیل توانایی آنها برای زنده ماندن در شرایط گرسنگی، استرس اکسیداتیو و مقادیربالای آسیب DNA مورد توجه قرار گرفته اند.
5/6/2025
16
زایروفیل ها (خشکی دوست ها)
ارگانیسم هایی که توانایی رشد در شرایط بسیار خشک و یا در حضور فعالیت آبی بسیار کم را دارند، خشک دوست محسوب می شوند. با این حال، تنها برخی از جنس های تخصصی از بین باکتری ها، مخمرها، قارچ ها، گلسنگ ها، جلبک ها می توانند در چنین محیطی زنده بمانند. زیراوفیل ها مسئول فاسد شدن غذاهای خشک و غلات ذخیره شده، ادویه جات، آجیل و دانه های روغنی هستند.
5/6/2025
17
متالوفیل ها:
میکروارگانیسم هایی که می توانند در حضور غلظت فلزات بالا رشد کنند متالوفیل نامیده می شوند. از آنجایی که آلودگی توسط فلزات سنگین تهدیدی برای سلامت عمومی، ماهیگیری و حیات وحش است،متالوفیل ها علاقه ای به حذف فلزات سنگین دارند. متالوفیل ها همچنین پتانسیل بالایی در استخراج زیستی فلزات گران قیمت از پساب های فرآیندهای صنعتی نشان می دهند.
5/6/2025
18
هالوفیل ها (نمک دوست ها)
هالوفیل ها میکروارگانیسم های اکستروموفیل هستند که می توانند درمحیط های شور به طور مطلوب رشد کنند. هالوفیل ها از مکانیسم های سازگاری متفاوتی برای زنده ماندن در زیستگاه های فوق شور استفاده می کنند. به منظور مقابله با چنین غلظت نمک بالایی، آنزیم های آنها تعداد نسبتا زیادی از باقی مانده های اسید آمینه با بار منفی را در سطح خود به دست می آورند تا از بارش جلوگیری کنند.
5/6/2025
19
میکروآئروفیل ها :
میکروآئروفیل ها میکروارگانیسم هایی هستند که وقتی غلظت اکسیژن به غلظت های موجود در هوا می رسد نمی توانند رشد کنند، اما با این وجود رشد آنها مستلزم حضور مقداری اکسیژن است مقدار کمی از اکسیژن آزاد آنها در زیر سطح محیط در یک لوله کشت در سطحی رشد می کنند که در دسترس بودن اکسیژن با نیاز آنها مطابقت داشته باشد.
5/6/2025
20
بیولوژی مولکولی باکتری های باروفیل
دریای عمیق یک محیط منحصر به فرد است که با فشار بالا، دمای پایین و در دسترس بودن مواد غذایی کاهش یافته و تغییر یافته است. اساس فیزیکی اثرات فشار به خوبی نشان داده می شود که از اثرات مهاری افزایش فشار بر فرآیندهای بیوشیمیایی ناشی می شود که با تغییر حجم مثبت همراه هستند افزایش غیراشباع اسیدهای چرب غشا برای حفظ عملکرد بهینه غشاء در فشار بالا در باروفیل ها حیاتی است.
5/6/2025
21
جداسازی و شناسایی میکروارگانیسمهای سازگار با فشار از محیط های دریایی عمیق
چندین گونه از باکتری های سازگار با فشار بالا از نمونه های رسوب در اعماق دریا که در اعماق 2500 تا 6500متری به دست آمده اند.
مقایسه 16 توالی S rRNA به دست آمده از باکتری های باروفیل و بارتولرانت متعدد در اعماق دریا با توالی هایی که در بانک های اطلاعاتی GenBank و EMBL نگهداری می شوند نشان میدهد که بسیاری از سویه های باروفیل و بارتولرانت متعلق به زیرگروه Proteobacteria γ هستند.
بیشتر باکتری های اعماق دریاهای جدا شده یا باروفیل یا تحمل کننده باروفیل هستند و همچنین سزما دوست هستند، یعنی در دمای بالای 20 درجه سانتیگراد قادر به رشد نیستند.
5/6/2025
22
شناسایی ژن های تحت کنترل فشار از اعماق دریا
موجودات آبزی از محیط های کم عمق و همچنین عمیق مکانیسم هایی را برای سنجش و مقابله با تغییرات فشار ایجاد کرده اند. نمونه هایی از ارگانیسم های بالاتر شامل مثانه های شنای ماهی و استاتوسیست های خرچنگ است که به حفظ موقعیت عمودی موجودات در ستون آب کمک می کند. میکروارگانیسم های دریایی نیز تغییرات فشار زیادی را در نتیجه فرآیندهای انتقال فیزیکی یا بیولوژیکی تجربه می کنند.
سنجش فشار در میان باکتری های شاخه باروفیل با جستجوی ژن های فعال شده با فشار بالا مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. این کار با غربالگری DNA پروموتر از باکتری باروفیل DB6705 که قادر به کنترل بیان ژن کلرامفنیکل استیل ترانسفراز در اشریشیا کلی در فشار متوسط بود، انجام شد.
5/6/2025
23
شکل زیر درخت فیلوژنتیک نشان دهنده روابط بین باکتری های جدا شده سازگار با اعماق دریا را نشان می دهد.
5/6/2025
24
شکل زیر نقشه محدودیت قطعه DNA حاوی دو اپرون تنظیم شده با فشار را نشان می دهد.
5/6/2025
25
یک قطعه پروموتور جدا شده به این روش متعاقباً با گسترش پرایمر و تجزیه و تحلیل نورترن بلات برای هدایت رونویسی القایی با فشار بالا در هر دو سویه باروفیل DB6705 و در ترانسفورماتورهای E.coli حاوی پلاسمیدهای حاوی این پروموتر یافت شد. در پایین دست این پروموتر، دو قاب خواندن باز ناشناخته کوچک(ORF1 و ORF2 ) یافت شد که با هم یک اپرون تنظیم شده با فشار را تشکیل می دهند که در شکل قبل نشان داده شده است.
5/6/2025
26
5/6/2025
27
باکتریهای اعماق دریا ساکن در رسوبات درون ترانشه ماریانا که دارای اپرونهای تنظیمشده فشار هستند،ارگانیسمهایی کاملاً باروفیل هستند. در واقع با حفظ شرایط کشت 100 مگاپاسکال و 4 درجه سانتی گراد میتوان سویه های باروفیل اجباری را از ترکیب ماریانا جدا کرد و برخی از این باکتری ها دارای ORFs1-3 در DNAکروموزومی خود هستند.
شکل زیر شباهت توالی های DNA یک اپرون تنظیم شده با فشار (ORF1, 2)و b ORF3 ، تکثیر شده از DNA رسوب ماریانا را نشان میدهد.
5/6/2025
28
شکل زیر مدل عملکردToxR/S در تنظیم بیان ژنomp درSS9. کمپلکس پروتئینیToxR/S مرتبط به عنوان سرکوب کننده و فعال کننده بیان ژن عمل می کند.
5/6/2025
29
بیان ژن تنظیم شده با فشار در باکتری اعماق دریا
نمونه دیگری از سنجش فشار در جدایه باکتریایی اعماق دریا مربوط به تنظیم فشار معکوس بیان ژن ompH وompL در فتوباکتریوم باروفیل متوسط قابل دستکاری ژنتیکی است. SS9. این ژن هایe پروتئین های غشای خارجی را کد میکنند. پروتئین OmpH زمانی که SS9 در فشار بهینه خود یعنی 28 مگاپاسکال رشد می کند، به حداکثر می رسد، درحالیکه پروتئین OmpL زمانی کهSS9 در 0,1 مگاپاسکال رشد می کند، بیشترین مقدار را تولید می کند.
5/6/2025
30
بیان ژن تنظیم شده با فشار در باکتری اعماق دریا
جهش هایی که در حالت فشار بالا تنظیم OmpH/L گیر کرده بودند، ابتدا با جهش زایی ترانسپوزون و بعداً به دنبال جهش زایی جایگزینی ژن جدا شده اند. این جهش یافته ها در همولوگ اپرون toxRS از Vibrio choleraeدچار اختلال می شوند. در V. وبا، ToxR و ToxS در غشای داخلی قرار می گیرند، جایی که به عنوان حسگرهای محیطی عمل می کنند و بیان تعدادی از ژن های حدت را در پاسخ به تغییرات دما، اسمولاریته، pH و سطوح اسیدهای آمینه خارج سلولی تنظیم می کنند.
5/6/2025
31
ToxR یک پروتئین ترانس غشایی دیمری است که صورت سیتوپلاسمی آن ژن ها را تحت کنترل مستقیم خود متصل می کند. به نظر می رسد ToxS فعالیت ToxR را تعدیل می کند. شواهد نشان می دهد که سنجش فشار SS9 ToxR به وضعیت فیزیکی غشای سیتوپلاسمی بستگی دارد. بی حس کننده های موضعی در غلظت هایی که سیالیت غشای باکتریایی را افزایش می دهند منجربه سیگنال دهی ToxR کم فشار می شود، حتی زمانی که سلول ها با فشار بالا رشد می کنند.
5/6/2025
32
نتیجه گیری
5/6/2025
33
مطالعه باکتری های باروفیلی نویدبخش فراهم کردن شرایط لازم برای زندگی در بزرگ ترین بخش بیوسفر، شرایط سرد، تاریک، کم مواد مغذی و فشار بالا حاکم بر اعماق دریا است.
نتیجه گیری
باروفیل ها علاوه بر ارزش ذاتی در مطالعه یک گروه عمده از اگزترموفیل ها که مکانیسم های سازگاری آن ها تنها در حال درک شدن است، ممکن است به بیوتکنولوژی در طیف گسترده ای از زمینه ها از جمله دفع زباله های اعماق دریا، تولید محصولات طبیعی جدید و فعالیت های کاتابولیک، و ارائه آنزیم ها برای بیوراکتورهای فشار بالا کمک کنند. در کاوش های باستان شناسی در اعماق دریا و ژنوم انسان تباران آن ارزش زیادی وجود دارد.
5/6/2025
34
منابع
Abe F. and K. Horikoshi. (2001). The biotechnological potential of piezophiles. Trends in Biotechnology 19(3): 102-108.
Bartlett DH. Kato C, Horikoshi K .(1995). High pressure influences on gene and protein expression. Res Microbiol 146:697-706
Busk, P.K. and L. Lange. (2013). Cellulolytic potential of thermophilic species from four fungal orders. AMB Express 3:47-56.
Cavicchioli, R., N. Saunders and T. Thomas. (2002). In Encyclopedia of life support systems (EOLSS), Eolss Publishers, Oxford, UK.
DeLong EF. (1986). Adaptations of deep-sea bacteria to the abyssal environment. PhD thesis, University of California, San Diego
DiRita VJ, Mekalanos JJ .(1991). Periplasmic interaction between two membrane regulatory proteins, ToxR and ToxS, results in signal transduction and transcriptional activation. Cell 64:29-37.
Fraser PJ, Macdonald AG .(1994). Crab hydrostatic pressure sensors. Nature 371-383-384.
5/6/2025
35
Gadd, G.M. (2010). Metals, minerals and microbes: Geomicrobiology and Bioremediation. Microbiology 156: 609–643.
Kamimura K, Fuse H, Takimura O, Yamaoka Y .(1993). Effects of growth pressure and temperature on fatty acid composition of a barotolerant deep-sea bacterium. Appl Environ Microbiol 59:924-926.
Kato C, Inoue A, Horikoshi K .(1996). Isolating and characterizing deep-sea marine microorganisms. Trends Biotechnol 14:6-12.
Kumar, C.G. (2002). Purification and characterization of a thermostable alkaline protease from alkalophilic Bacillus pumilus. Letters in Applied Microbiology, 34: 13–17.
MacDonell MT, Colwell RR .(1985). Phylogeny of the Vibrionaceae, and recommendation for two new genera, Listonella and Shewanella. Syst Appl Microbiol 6:171-182.
Madern, D., C. Ebel and G. Zaccai.(2000) .Halophilic adaptation of enzymes. Extremophiles 4: 91–8.
5/6/2025
36
Poole RK, Gibson F, Wu G (1994). The cydD gene product, component of a heterodimeric ABC transporter, is required for assembly of periplasmic cytochrome c and of cytochrome bd in Escherichia coli. FEMS Microbiol Lett 117:217-224
Sterner, R. and W. Liebl. (2001). Thermophilic adaptation of proteins. Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology 36: 39-106.
Welch TJ, Bartlett DH (1996). Isolation and characterization of the structural gene for OmpL, a pressure-regulated porin-like protein from the deep-sea bacterium Photobacterium species strain SS9. J Bacteriol 178-5027-5031.
Yano, J.K. and T.L. Poulos.(2003). Review. New understandings of thermostable and peizostable enzymes. Current Opinion in Microbiology 14(4): 360-5.
Zeng, X., X. Xiao,P.Wang and F.Wang.(2004).Screening and Characterization of psychrotrophic lipolytic bacteria from deep sea sediments. Journal of Microbiology and Biotechnology 14: 952-958.
5/6/2025
37