Informacija

Halobacterium salinarum – biologija

Halobacterium salinarum – biologija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Halobacterium salinarum

Halobacterium salinarum virusas ChaoS9, naujas halovirusas, susijęs su PhiH1 ir PhiCh1

Netikėta didelės kultūros lizė Halobacterium salinarum Nustatyta, kad S9 padermę sukėlė naujas miovirusas, pavadintas ChaoS9. Viruso išvalymas iš kultūros lizato atskleidė homogeninę kaudoviruso tipo dalelių populiaciją. Viruso genomas yra linijinis, dsDNR yra iš dalies perteklinė ir cirkuliariai permutuota, vieneto ilgis yra 55 145 nt, G + C% 65,3 ir turi 85 numatomas koduojančias sekas (CDS) ir vieną tRNR (Arg) geną. Kairioji genomo ranka (0–28 kbp) koduoja baltymus, savo seka panašius į žinomų kaudovirusų baltymus ir buvo labiausiai panašus į miohalovirusus phiCh1 (šeimininkas: Natrialba magadii) ir phiH1 (priegloba: Hbt. salinarum). Jame yra uodegos pluošto geno modulis, panašus į apverčiamus modulius, esančius phiH1 ir phiCh1. Tačiau nors ChaoS9 uodegos genai buvo panašūs į phiCh1 ir phiH1, ChaoS9 Mcp buvo labiausiai panašus (36% aa tapatumas) į Haloarcula ispaniška uodegos virusas 1 (HHTV-1). Proviruso elementai, susiję su ChaoS9, labiausiai buvo panašūs į uodegos / surinkimo baltymus, tačiau skiriasi savo panašumu su galvos / surinkimo baltymais. Dešinioji ChaoS9 ranka (29–55 kbp) koduoja baltymus, dalyvaujančius DNR replikacijoje (ParA, RepH ir Orc1), tačiau kiti baltymai mažai panašūs į baltymus iš phiH1, phiCh1 ar proviruso elementų, ir dauguma jų negalėjo būti priskirta funkcija. „ChaoS9“ tikriausiai geriausiai klasifikuojamas pagal gentį Miohalovirusas, nes jis turi daug savybių su phiH1 (ir phiCh1), įskaitant daug panašių baltymų. Tačiau atrodo, kad galvos / surinkimo geno regione įvyko rekombinacijos įvykis, o numanomi baltymai skiriasi nuo phiH1 ir phiCh1 baltymų, įskaitant pagrindinį kapsidės baltymą. Dėl to ChaoS9 taksonominė klasifikacija tampa dviprasmiškesnė. Taip pat pranešame apie peržiūrėtą genomo seką ir anotaciją Natrialba virusas phiCh1.

Raktiniai žodžiai: Archaea caudovirus genomo inversija haloarchaea halobacteria halovirus transpozonas.

Interesų konflikto pareiškimas

Autoriai pareiškia, kad nėra interesų konflikto.

Figūros

ChaoS9 dalelių morfologija pagal…

ChaoS9 dalelių morfologija naudojant neigiamų dėmių elektronų mikroskopiją. Išgrynintas virusas buvo sutvarkytas naudojant…

Haloviruso ChaoS9 baltymai. Išvalyta…

Haloviruso ChaoS9 baltymai. Išgrynintas virusas buvo kaitinamas mėginio buferyje ir atskirtas…

ChaoS9 DNR ribojimo virškinimas.…

ChaoS9 DNR apribojimai. Naudojami fermentai nurodyti virš kiekvieno šulinėlio. The…

ChaoS9 genomo palyginimas…

ChaoS9 genomo palyginimas su 17 kitų paskelbtų halovirusų genomais…

Palygintas „ChaoS9“ genomo žemėlapis…

„ChaoS9“ genomo žemėlapis, palyginti su „phiCh1“ ir „phiH1“. ( a ) Kaupiamasis…

Proviruso elementai PVH3A1 ir PVHS1…

Proviruso elementai PVH3A1 ir PVHS1, palyginti su ChaoS9. PVH3A1 iš haloarcheono padermės 3A1_DGR…

Filogenetinės medžių rekonstrukcijos naudojant (…

Filogenetinės medžių rekonstrukcijos naudojant ( a ) bazinės plokštelės J šeimos baltymai, ( b…


Nors H. salinarum naudoja žiuželius mobilumui generuoti panašiai kaip bakterijos, šios struktūros nėra homologiškos eukariotų žvynelėms. H. salinarum žvynelinės gijos yra maždaug perpus storesnės už eubakterijų gimines ir susijungia skirtingai. Dėl to H. salinarum yra svarbus pavyzdinis organizmas ne tik tiriant ekstremalius halofilus, bet ir siekiant suprasti šios unikalios judrumo sistemos evoliuciją. [4,6] Eksperimentiniai duomenys rodo, kad protonų varomoji jėga gali būti ne vienintelis žvynelių judėjimo energijos šaltinis. Nejudrus H. salinarium buvo atkurtas į mobilumą pridedant L-arginino, kuris sukelia ATP gamybą per fermentaciją. ATP naudojimas žievės jėgai generuoti buvo palaikomas, kai buvo nustatyta, kad motoriškumas padidėja pagal nulinės protonų varomosios jėgos scenarijų, pridėjus L-arginino. [5]

1. Desmond E, Brochier-Armanet C ir Gribaldo S. 2007. Archealinio žvynelio filogenomika: retas horizontalus genas

2. ExPASy bioinformatikos informacijos portalas. HAMAP: Halobacterium salinarum (ATCC 29341 padermė / DSM 671 / R1) pilnas proteomas.

3. Maxo Plancko biochemijos institutas. Halobacterium salinarum vėliavėlės ir jų biogenezė.

4. Maxo Plancko biochemijos institutas. Halobacterium Salinarum apžvalga.

5. Streif S, Staudinger WF, Marwan W, Oesterhelt D.J. 2008. Vėlinių sukimasis archeone Halobacterium salinarum priklauso nuo ATP. Molekulinės biologijos žurnalas. 5384(1):1-8. Epub 2008 rugpjūčio 29 d.

6. Strominger, J. 1976. Halobacterium salinarium ląstelės paviršiaus glikoproteino struktūrinis (formą išlaikantis) vaidmuo.


Halobacterium salinarum – biologija

Visi MDPI paskelbti straipsniai yra nedelsiant prieinami visame pasaulyje pagal atviros prieigos licenciją. Norint pakartotinai naudoti visą ar dalį MDPI paskelbto straipsnio, įskaitant paveikslus ir lenteles, specialaus leidimo nereikia. Straipsniams, paskelbtiems pagal atviros prieigos Creative Common CC BY licenciją, bet kuri straipsnio dalis gali būti pakartotinai naudojama be leidimo, jei originalus straipsnis yra aiškiai cituojamas.

Pagrindiniai dokumentai yra pažangiausi moksliniai tyrimai, turintys didelį potencialą turėti didelį poveikį šioje srityje. Pagrindiniai straipsniai pateikiami gavus individualų mokslinių redaktorių kvietimą arba rekomendaciją ir prieš paskelbiant juos peržiūrimi.

Pagrindinis dokumentas gali būti originalus mokslinis straipsnis, esminis naujas mokslinis tyrimas, kuris dažnai apima keletą metodų ar požiūrių, arba išsamus apžvalginis dokumentas su glaustais ir tiksliais naujausios pažangos atnaujinimais šioje srityje, kuriame sistemingai apžvelgiami įdomiausi mokslo pasiekimai. literatūra. Šio tipo popieriuje pateikiama ateities tyrimų krypčių ar galimų pritaikymų perspektyva.

„Editor’s Choice“ straipsniai yra pagrįsti MDPI žurnalų iš viso pasaulio mokslinių redaktorių rekomendacijomis. Redaktoriai atrenka nedidelį skaičių neseniai žurnale paskelbtų straipsnių, kurie, jų nuomone, bus ypač įdomūs autoriams arba svarbūs šioje srityje. Tikslas yra pateikti kai kurių įdomiausių darbų, paskelbtų įvairiose žurnalo tyrimų srityse, vaizdą.


Vertimo inicijavimas GUC kodonu archeone Halobacterium salinarum: pasekmės be lyderio mRNR transliacijai ir griežta koreliacija tarp transliacijos inicijavimo ir mRNR buvimo

Ištyrėme, ar archealinio iniciatoriaus tRNR antikodono sekos mutantas gali inicijuoti baltymų sintezę naudojant reporterių genus, turinčius mutacijas iniciacijos kodone. Halobacterium salinarum buvo naudojamas kaip pavyzdinis organizmas, o reporteriu pasirinktas bakterio-opsino genas (bop), kuris koduoja purpurinės membranos baltymo bakterio-opsino (Bop) baltyminio komponento pirmtaką. Mes parodome, kad Haloferax volcanii iniciatoriaus tRNR CAU į GAC antikodono sekos mutantas gali inicijuoti Bop baltymų sintezę naudojant GUC kaip H. salinarum iniciacijos kodoną. Sukūrėme keturis mutantinius bop genus, kurių kiekvienas turi AUG – GUC inicijavimo kodono mutaciją, su kompensacine mutacija arba be jos, kad išlaikytume numatytą kamieninės kilpos struktūrą bop mRNR 5' gale, ir su mutacijomis arba be jų, kad išbandytume transliaciją. inicijavimas vietoje, atitinkančioje subrendusio bakterio-opsino amino galą. H. salinarum chromosomų rekombinantai, turintys šiuos mutantinius genus, fenotipiškai buvo Pum- (violetinės membranos neigiami). Po transformacijos su plazmide, turinčia mutanto iniciatoriaus tRNR geną, tik padermės, skirtos išlaikyti bop mRNR kamieninės kilpos struktūrą, pagamino Bop ir buvo fenotipiškai Pum+, kaip rodo violetinė kolonijos spalva, imunoblotingas ir ląstelių ekstraktų spektrinė analizė. Taigi GUC gali tarnauti kaip iniciacijos kodonas archėjoje, o kamieninės kilpos struktūra bop mRNR yra svarbi vertimui. Įdomu tai, kad tai pačiai mutantinei mRNR tik transformantai, gaminantys Bop baltymą, turi bop mRNR. Šie rezultatai rodo arba stiprų ryšį tarp transliacijos ir mRNR stabilumo, arba stiprų transkripcijos poliškumą H. salinarum.


The Halobakterija NRC-1 genomas yra 2 571 010 bp, sudarytas į 3 apskritus replikonus. Tiksliau, ji yra padalinta į vieną didelę chromosomą, turinčią 2 014 239 bp ir 2 mažus replikonus pNRC100 (191 346 bp) ir pNRC200 (365 425 bp). Nors šios dvi plazmidės yra daug mažesnės už didžiąją chromosomą, jos sudaro daugumą 91 įterpimo sekos ir apima DNR polimerazės genus, septynis transkripcijos faktorius, kalio ir fosfato įsisavinimo bei ląstelių dalijimosi genus. Nustatyta, kad genome yra didelis G+C kiekis – 67,9 % didelėje chromosomoje ir 57,9 % ir 59,2 % dviejose plazmidėse. Genome taip pat buvo 91 įterpimo sekos elementas, sudarytas iš 12 šeimų, įskaitant 29 pNRC100, 40 pNRC200 ir 22 didelėje chromosomoje. Tai padeda paaiškinti genetinį plastiškumą, kuris buvo pastebėtas halobakterijose. Manoma, kad iš archejų Halobakterijos dalyvauja labiausiai šoninėje genetikoje (genų pernešime tarp domenų) ir yra įrodymas, kad šis perkėlimas vyksta.

Halobakterija rūšys yra privalomos aerobinės lazdelės formos archėjos, gaubiamos viena lipidų dvisluoksne membrana, apsupta S sluoksniu, pagamintu iš ląstelės paviršiaus glikoproteino. Halobakterijos gali augti ant aminorūgščių aerobinėmis sąlygomis, tačiau buvo nustatyta, kad tinkamomis sąlygomis jos gali augti ir anaerobinėje aplinkoje. Šias sąlygas palaiko aminorūgštys, todėl gali įvykti arginino fermentacija. Nors Halobakterija NRC-1 yra gliukozės skaidymo genų, taip pat riebalų rūgščių oksidacijos kelio fermentų genų, atrodo, kad jis negali jų naudoti kaip energijos šaltinių. Nors citoplazma išlaiko osmosinę pusiausvyrą su hiperdruske aplinka, ląstelė išlaiko didelę kalio koncentraciją. Jis tai daro naudodamas daug aktyvių transporterių.

Daugelis Halobakterija rūšys turi baltyminių organelių, vadinamų dujų pūslelėmis. Šios pūslelės naudojamos siekiant padidinti plūdrumą ir leisti taksi link vandens ir oro sąsajų. Šios bakterijos yra privalomi aerobai, kurie kolonizuoja vandens paviršius ir surenka derlių naudodami membraninius baltymus, bakteriorodopsiną metabolizmui. Todėl dujų pūslelės atlieka funkciją, leidžiančią Halobacterium atitikti privalomus aerobinius reikalavimus.


Halofilai

Halobacteriales kategorijos mikroorganizmai naudoja anglies šaltinius per trikarboksirūgšties ciklą (1 pav.), kartais kartu su glioksilato ciklu ir elektronų transportavimo grandine, kurią sudaro įvairūs citochromai. Genčių ir rūšių mitybos poreikiai labai skiriasi, tačiau sutariama, kad dauguma halofilinių archejų pirmenybę teikia aminorūgštims kaip anglies ir energijos šaltiniui. pvz. ir sp. NRC-1. Jie gali būti grąžinti atgal į TCA ciklą ir panaudoti baltymus ekspresuojančius genus atvirkštinės glikolizės būdui, reikalingam gliukoneogenezei (2 pav.) [8].

Tai vaizduoja bendrą H salinarum NRC-1 biologiją, parodantį jo gebėjimą įsisavinti maistines medžiagas, gaminti energiją ir transportuoti katijonus / anijonus.

Vaizdas gautas iš Halobacterium rūšies NRC-1 genomo sekos [8]

Vaizdas, vaizduojantis gliukoneogenezę ir kurios aminorūgštys gali patekti į šį kelią ir iš kurio taško.

Hipersalino tirpalai turi mažesnį afinitetą nepoliniam deguoniui, todėl dažnai būna minimalios deguonies koncentracijos. Daugelis halofilinių archejų turi galimybę kvėpuoti anaerobiškai, todėl archejams reikia naudoti įvairius galutinius elektronų akceptorius: Haloferax denitrificans naudoja azotą, tačiau kadangi nitratai yra mažos koncentracijos ir nėra perdirbami nitrifikacijos būdu, šis kelias yra ribotas. H. salinarum gali naudoti dimetilsulfoksidą , trimetilamino N-oksidą ir fumaratą [9] .

Bakteriorodopsino genus ekspresuojantis H. salinarum taip pat gali išgyventi beveik anaerobinėmis sąlygomis, tačiau bakteriorodopsino biosintezei reikalingas deguonis, todėl turi būti minimalus jo kiekis [3].

Mikroskopu matomas halobakterijų bruožas yra ryškiai raudonai oranžinė spalva, susijusi su karotinoidinių pigmentų paplitimu šių halofilų membranoje [3]. Yra žinoma, kad halobakterijose yra mažiausiai keturi tinklainės turintys baltymai bakteriorodopsinas , halorodopsinas ir du sensoriniai rodopsinai, susieti su fototaksija .

Bakteriorhodpsinas yra tinklainės pigmentas, kuris šviesai perneša protonus, energijos taupymui, didelis jo kiekis jūroje gali rodyti skirtingą deguonies kiekį [5]. Jį sudaro keli komponentai, kurie sudaro transmebrano kompleksą, susidedantį iš 7 spiralių, tinklainės chromoforo, atsakingo už spalvą [5].

Jie abu yra sujungti vienas su kitu, todėl susidaro protonuota Šifo bazė (funkcinė grupė: R-NH+=C) [5]. Protonuotas jis atrodo purpurinis. Taigi purpurinis membranos pavadinimas.

Tinklainės fotonų absorbcija sukelia protono judėjimą išilgai chromoforo-opsino komplekso, dėl kurio galiausiai protonas palieka kompleksą tarpląstelinėje pusėje. Procesas sukuria protonų elektrocheminius gradientus, kurie gali būti naudojami ATP generavimui [13].

Ši diagrama demonstruoja chemiomozės procesą, iliustruojantį pigmentą, kuris išpumpuoja protonus ir leidžia jiems atgal per ATP-sintazės kompleksus, generuojančius ATP iš energijos.

Bakteriorodopsinas taip pat gali būti susietas su ilgalaikiu Na+ pasišalinimu iš ląstelės per Na+-H+ antiport sistemą, užtikrinant tinkamą K+ lygį, kuris aktyviai transportuojamas į ląstelę, naudojant ATP kaip energijos šaltinį ir netiesiogiai padedant pasisavinti aminorūgštis per bendro transportavimo sistemą. Na+ [7 ] .

Schobert ir Lanyi parodė, kad halorodopsinas pumpuoja chlorido jonus į ląstelę iš išorinės terpės po sužadinimo šviesa. Tai būtina norint palaikyti ląstelių augimą ir osmosinę pusiausvyrą su išorine aplinka. H. salinarum taip pat turi sensorinių rodopsinų fototaksiui. Sensorinis rodopsinas I skatina judėjimą per žiuželius link žalios šviesos H. salinarum, o jutiminis rodopsinas II gauna mėlyną šviesą ir skatina judėjimą toliau nuo šio dirgiklio [3].

Manoma, kad bakterioruberinas, C50 karotenoidas, padeda apsaugoti ląstelę nuo UV pažeidimo [12].

Ekstremalūs halofilai palaiko osmosinę pusiausvyrą, importuodami K+, kad atitiktų tarpląstelinę osmosinę koncentraciją. Kiti halofilai (ne ekstremalūs) palaiko pusiausvyrą gamindami „suderinamas tirpias medžiagas“, tokias kaip aminorūgštys ir cukrų variantai. Jie taip pat gali būti paimti iš aplinkos. Šios sąlygos sukeltų ne halofilinių baltymų denatūraciją. Akivaizdžiai ekstremaliems halofilams reikalingi baltymai, pritaikyti šioms druskos sąlygoms [2]. Baltymų 3D forma priklauso nuo sąveikos tarp baltymo paviršiaus su juo pačiu, kitais baltymais, vandeniu ir tirpiosiomis medžiagomis (druska), išlaikant tirpumą, stabilumą, formą ir kartu aktyvumą [11].

Halofiliniai baltymai ir fermentai teikia pirmenybę rūgščių aminorūgščių likučiams, būtent aspartatui ir glutamatui, pastarieji pasižymi ypač geromis vandens surišimo savybėmis [6]. Taip pat lizino ir kitų pagrindinių aminorūgščių trūkumas.

Nebuvo nustatytas galutinis halofilinių baltymų rūgščių likučių vaidmuo, tačiau buvo pasiūlyti du. Neigiamas krūvis arba tiesiogiai konkuruoja su druskos jonais dėl vandens, arba jungiasi su hidratuotais katijonais, leisdamas aplink baltymą susidaryti hidratuotam sluoksniui [11], kuris svarbus tirpumui ir su struktūra susijusio aktyvumo palaikymui, taip pat stabilizuojasi nuo agregacijos ir išsiskleidimo [10]. Geraldas Bohmas ir Raineris Jaenicke'as teigė, kad šie bruožai sukėlė elektrostatinį atstūmimą tarp skirtingų baltymų regionų, kurie yra nepalankūs stabilumui, ir kad didelės druskos koncentracijos gali sumažinti šį poveikį dėl surišimo [1].

Vaizdas vaizduoja gliukozės dehidrogenazės baltymo iš ekstremalaus halofilo Haloferax mediterranei paviršių, raudonos sritys rodo paviršiaus potencialo skirtumą, mažesnį nei -10.

Halofiliniai baltymai turi „mažiau hidrofobinį kontaktą“ savo šerdyje. Tai subalansuoja tokių hidrofobinių jungčių stiprumą esant dideliam druskingumui. Reiškia agregacija ir dėl to funkcijos praradimas yra mažiau tikėtinas.

Pernelyg didelė UV šviesa sukelia genetinę mutaciją, skatindama pririmidino dimerų (TT) susidarymą. Halofilams reikia daug DNR taisančių baltymų, taip pat karotinoidų (Bacterioruberin), kurie suteikia apsaugą nuo foto ir yra labai svarbus antioksidantas. DNR rekombinacija yra dar viena savybė, leidžianti ląstelėms kovoti su pažeista DNR. Halofilinėse ląstelėse labai svarbu turėti mažą timino molekulių skaičių, nes jos yra UV „taikiniai“.

Halobacteriaceae yra įvairių formų:

Formų įvairovę galima paaiškinti tuo, kad tokiuose mikroorganizmuose nėra didelio turgorinio slėgio [9].

Išskyrus nekokoidines ląsteles, haloarchėjos morfologija keičiasi priklausomai nuo druskos koncentracijos [4]. Tai susiję su ląstelės sienelės jonų stabilumo reikalavimu. Taip pat iš glikoproteino sudarytas Halobacteriaceae S sluoksnis/ląstelės sienelės sluoksnis, kuris išlaiko formą.

Halobakterijose taip pat yra žvynelių. H. salinarum sudaro flagelino gijų ryšulius, sudarytus iš sulfatuotų glikoproteinų.

Halofilinių Archaea žvyneliai turi dešiniarankius sraigtus, priešingai nei bakterijų, turinčių kairiarankius sraigtus, todėl sukimasis pagal laikrodžio rodyklę leidžia judėti į priekį ir atvirkščiai. Chemo ir foto jutiklių stimuliuojamas judėjimas [9].

Dujų pūslelės randamos Halobacteriaceae atstovuose, jos naudingos aerobiniam šeimininkui, nes organizuoja plūduriavimą organizmo aplinkos paviršiuje, leidžiant jam pasinaudoti vertikaliu deguonies gradientu, kai deguonies tiekiama mažai. Šį požymį koduojantys genai prarandami labai dažnai, galbūt dėl ​​to, kad genų naudingumas priklauso nuo aplinkos sąlygų [9], [3].

Bohm, G. ir Jaenicke, R. (1994). Struktūra pagrįstas Halobacterium volcanii dihidrofolato reduktazės halfilinės adaptacijos modelis. Protein Eng Des Sel, 7 (2), p. 213–220.

Britton, K., Baker, P., Fisher, M., Ruzheinikov, S., Gilmour, D., Bonete, M., Ferrer, J., Pire, C., Esclapez, J. and Rice, D. ( 2006). Baltymų tirpiklių sąveikos gliukozės dehidrogenazėje iš ekstremalaus halofilo Haloferax mediterranei analizė. Proceedings of the National Academy of Sciences, 103 (13), p. 4846-4851.

Dworkin, M. ir Falkow, S. (2006). . Niujorkas: Springeris.

Fendrihan, S., Legat, A., Pfaffenhuemer, M., Gruber, C., Weidler, G., Gerbl, F. ir Stan-Lotter, H. (2006). Itin halofilinės archėjos ir ilgalaikio mikrobų išgyvenimo problema. Aplinkos mokslų ir bio/technologijų apžvalgos, 5 (2-3), p. 203-218.

Horikoshi, K. ir Grant, W. (1998). Ekstremofilai. Niujorkas: Wiley-Liss.

Karan, R., Capes, M. ir DasSarma, S. (2012). Ekstremofilinių fermentų funkcija ir biotechnologija esant mažam vandens aktyvumui. Aquat Biosyst, 8 (1), p.4.

Lanyi, J. (1978). Šviesos energijos konversija Halobacterium halobium. Microbiological Reviews, 42 (4), p. 682-706.

Ng, W., Kennedy, S., Mahairas, G., Berquist, B., Pan, M., Shukla, H., Lasky, S., Baliga, N., Thorsson, V., Sbrogna, J., Swartzell, S., Weir, D., Hall, J., Dahl, T., Welti, R., Goo, Y., Leithauser, B., Keller, K., Cruz, R., Danson, M., Hough, D., Maddocks, D., Jablonski, P., Krebs, M., Angevine, C., Dale, H., Isenbarger, T., Peck, R., Pohlschroder, M., Spudich, J., Jung, K., Alam, M., Freitas, T., Hou, S., Daniels, C., Dennis, P., Omer, A., Ebhardt, H., Lowe, T., Liang, P., Riley, M., Hood, L. ir DasSarma, S. (2000). Halobacterium rūšių genomo seka NRC-1. Proceedings of the National Academy of Sciences, 97 (22), p. 12176-12181.

Oren, A. (2002). Halofiliniai mikroorganizmai ir jų aplinka. Dordrechtas: Kluwer Academic.

Qvist, J., Ortega, G., Tadeo, X., Millet, O. and Halle, B. (2012). Halofilinio baltymo hidratacijos dinamika sulankstytoje ir neišskleistoje būsenoje. J. Phys. Chem. B , 116 (10), p. 3436-3444.

Reed, C., Lewis, H., Trejo, E., Winston, V. ir Evilia, C. (2013). Baltymų adaptacijos archealiniuose ekstremofiluose. Archaea , 2013, p.1-14.

Shahmohammadi, H., Asgarani, E., Terato, H., Saito, T., Ohyama, Y., Gekko, K., Yamamoto, O. ir Ide, H. (1998). Apsauginis bakterioruberino ir tarpląstelinio KCl vaidmuo Halobacterium salinarium atsparumui DNR pažeidžiantiems agentams. JRR , 39 (4), p. 251–262.


Pagalbinė informacija

S1 failas. Papildomas tekstas ir paveikslai.

Papildomame tekste pateikiama informacija apie ląstelių konstantų, terpės konstantų ir pradinių sąlygų išvedimą. Faile taip pat pateikiami parametrų jautrumo rezultatai ir modelio išvestis naudojant visus parametrų rinkinius.

S1 Matlab kodas. Matlab kodas parametrų įvertinimui ir rezultatų braižymui.

Pateikiame scenarijų rinkinį, kurį galima naudoti modelio išvesties braižymui naudojant 2 ir 3 lentelių parametrų rinkinius. Pateikiamas parametrų įvertinimo pavyzdys, norint gauti parametrų rinkinį EN3. Taip pat pateikiami scenarijai, kuriuos galima naudoti eksperimentiniams matavimams konvertuoti į skirtingus vienetus.


Metodai

Filogenetinė analizė

Iš viso 28 rodopsinų sekos, turinčios H + pumpavimo aktyvumą, buvo suderintos naudojant MUSCLE. Filogenetinė rekonstrukcija buvo atlikta pagal didžiausią tikimybę (ML), naudojant PhyML su šiais parametrais: Jones-Taylor-Thornton modelis, SH panašus apytikslis tikimybės santykio testas ir apskaičiuotas gama pasiskirstymo parametras. Filogenetiniam medžių konstravimui ir sekos derinimui buvo naudojami šie rodopsinai:

HsBR, bakteriorodopsinas iš Archaea (Halobacterium salinarum P02945) HwBR/MR, midrodopsinas iš eubakterijų (Haloquadratum walsbyi DSM 16790, Q18DH8) aR-1, Archaerhodopsin-1 iš Archaea (Halorubrum chaoviator, P69051) aR-2, Archaerhodopsin-2 iš Archaea (Halobacterium sp. AUS-2, P29563), aR-3, Archaerhodopsin-3 iš Archaea (Halorubrum sadomense, P96787) cR-1, Cruxrhodopsin-1 iš Archaea (Haloarcula argentinensis, Q57101) cR-3, kruksrodopsinas-3 iš Archaea (Haloarcula vallismortis, P94854) dR-3, Deltarhodopsin-3 iš (Haloterrigena thermotolerans, I4DST7) LR, Leptosphaeria Rhodopsin iš eukariotų (Leptosphaeria maculans, Q9HGT7) ARII/Ace2, Acetabularia Rhodopsin II iš Eukariotų (Acetabularia acetabulum, G1K3Q0) AR, Acetabularia Rhodopsin iš eukariotų (Acetabularia acetabulum, Q1AJZ3) CsR, Coccomyxa subellipsoidea rhodopsin iš Eukariotų (Coccomyxa subellipsoidea C-169, I0YUS5) Ph2, Phaeosphaeria Rhodopsin 2 iš Eukarioto (Phaeosphaeria nodorum SN15, Q0V5A7) Ph1 Phaeosphaeria Rhodopsin 1 iš Eukariotų (Phaeosphaeria nodorum SN15, Q0V6M3) ESR, Exiguobacterium sibiricum rhodopsin iš Eubacteria (Exiguobacterium sibiricum DSM 17290, B1YFV8) Med12, proteorodopsinas iš nekultūringų bakterijų (Med12, Q4PP54) HOT75, mėlyną šviesą sugeriantis proteorodopsinas iš nekultūringų bakterijų (HOT 75m4, Q9AFF7) XR, ksantorodopsinas iš Eubacteria (Salinibacter ruber DSM 13855/M31, Q2S2F8) TR, termofilinis rodopsinas iš eubakterijų (Thermus thermophilus JL-18, H9ZSC3) gPR, žalią šviesą sugeriantis proteorodopsinas iš eubakterijų (Gama-proteobakterija EBAC31A08, Q9F7P4) MacR, Mac Rhodopsin iš Eubacteria (Candidatus Actinomarina minuta, S5DM51) PR nuo O.marina, Oxyrrhis marina rodopsinas (Oxyrrhis marina (Dinoflagellate), A7WQE3) GR, Gloeobacter Rhodopsin iš Eubacteria (Gloeobacter violaceus ATCC 29082 / PCC 7421, Q7NP59), GPR1, žalią spalvą sugeriantis proteorodopsinas iš eubakterijų (Dokdonia donghaensis MED134, EAQ40507) GPR2, žalią spalvą sugeriantis proteorodopsinas iš eubakterijų (Vibrio sp. AND4, ZP_02194911.1) GPR3, žalią spalvą sugeriantis proteorodopsinas iš eubakterijų (Candidatus Pelagibacter ubique HTCC1062, „SAR11“ grupė, Q4FMZ3) BPR, mėlyną spalvą sugeriantis proteorodopsinas iš eubakterijų (Photobacterium sp. LC1-200, BAL68143) NM-R1, Nonlabens marinus proteorodopsinas iš Eubacteria (Nonlabens marinus S1-08, W8VZ92).

Struktūros derinimas

Siekiant suderinti struktūrą, 17 žinomų H+ pumpuojančių rodopsinų atominės struktūros modelių, įskaitant LR, buvo lyginami poromis pagal RMSD vertes, apskaičiuotas naudojant PyMOL. lygiuotis funkcija su parametrų ciklais = 2 ir ribą = 1,5. Hierarchiškai sugrupavus RMSD koreliacijos vertes, analizuojamos struktūros buvo suskirstytos į dvi grupes – „archėjinę“ ir „bakterinę“. Tada pamatinio archeologinio siurblio struktūra HsBR buvo suderintas su kiekvienu iš „archaeal“ klasterio ir nuorodos struktūros Med12BPR buvo suderintas su kiekvienu iš „bakterijų“ klasterio. Norint parodyti Cα atomų pozicijų išsaugojimą klasteriuose, kiekvienam etaloninės struktūros Cα atomui buvo išmatuotas atstumas iki artimiausio atitinkamos išlygintos struktūros Cα atomo. Matavimas buvo pakartotas kiekvienai suderintai struktūrai. Atstumų, atitinkančių kiekvieną etaloninės struktūros Cα atomą, RMSD, CαRMSD, buvo naudojamas kaip Cα padėties išsaugojimo matas.

Klonavimas

LR koduojantys genai (1–313 aa ir 49–313 aa) iš Leptosphaeria maculans (UniProt Q9HGT7) buvo susintetinti de novo. Nukleotidų sekos buvo optimizuotos Leishmania tarentolae išraiška naudojant GeneOptimizer programinę įrangą (Thermo Fisher Scientific). Abu genai, sujungti su C-galo polihistidino žymėmis (H6 ir H9), buvo įvesti į integracinį indukuojamą ekspresijos vektorių pLEXSY_I-blecherry3 (Jena Bioscience, Vokietija) per BglII ir NotI restrikcijos vietas. Plazmidžių vektorius, optimizuotus genus ir pradmenis, naudojamus PGR amplifikacijai, galite rasti 1–3 papildomose lentelėse.

LEXSY ekspresija, tirpinimas ir gryninimas

Baltymai buvo išreikšti, kaip aprašyta anksčiau 36 . The Leishmania tarentolae LEXSY padermės šeimininko T7-TR (Jena Bioscience) ląstelės buvo transformuotos LR 1–313 ir LR 49–313 ekspresijos plazmidėmis, linearizuotomis SwaI restrikcijos fermentu. Po kloninės atrankos transformuotos ląstelės buvo auginamos 26 ° C temperatūroje tamsoje purtomose kolbose „Brain-Heart-Infusion Broth“ (Carl Roth, Vokietija), papildyta 5 mg ml -1 Hemin, 50 U ml -1 penicilino. , ir 50 mg ml -1 streptomicino (AppliChem). Kai OD600 Buvo pasiekta = 1,0, buvo pridėta 10 mg ml -1 tetraciklino, LR 1-313 taip pat buvo pridėta 10 μM visos trans-tinklainės (Sigma-Aldrich) ir inkubacija tęsiama dar 24 valandas. Surinktos ląstelės buvo suardytos M-110P Lab Homogenizatoriuje (Microfluidics) esant 10 000 psi buferiui, kuriame yra 50 mM NaH.2PO4/Na2HPO4, pH 7,6, 0,1 M NaCl, 10 % glicerolio, 1 mM EDTA, 2 mM 6-aminoheksano rūgšties (AppliChem), 50 mg L-1 DNazės I (Sigma-Aldrich) ir visiško proteazės inhibitorių kokteilio (Roche). Ląstelių lizato membraninė frakcija buvo išskirta ultracentrifuguojant 120 000 g 1 valandą 4 ° C temperatūroje. Nuosėdos buvo resuspenduojamos tame pačiame buferyje, bet be DNazės I ir maišomos 30 minučių 4 ° C temperatūroje. Ultracentrifugavimo etapas buvo pakartotas. Galiausiai membranos buvo resuspenduotos tirpinimo buferyje, kuriame yra 20 mM HEPES, pH 8,0, 0,2 M NaCl, cOmplete, 1% n-dodecil-β-D-maltozido (Cube Biotech) ir 20 μM LR 1–313 ir 5. μM LR 49–313 visos trans-tinklainės ir maišoma per naktį, kad ištirptų. Netirpi frakcija buvo pašalinta ultracentrifuguojant 120 000 g 1 valandą 4 ° C temperatūroje. Supernatantas buvo pakrautas ant Ni-NTA dervos (Cube Biotech), o LR buvo išplautas buferyje, kuriame yra 20 mM HEPES, pH 7,5, 0,2 M NaCl, 0,25 M L-histidino (AppliChem), 0,1 mM fenilmetansulfonilfluorido (PMSF) , 2 mM 6-aminoheksano rūgšties, pilna ir 0,1 % n-dodecilo β-D-maltozido. Eliuatui buvo atlikta dydžio išskyrimo chromatografija Superdex 200 Increase 10/300 GL kolonėlėje (GE Healthcare Life Sciences) buferyje, kuriame yra 10 mM NaH.2PO4/Na2HPO4, pH 6,5, 0,2 M NaCl, 1 mM EDTA, 2 mM 6-aminoheksano rūgšties, pilnas, 0,1 mM fenilmetansulfonilfluorido ir 0,05 % n-dodecilo β-D-maltozido. Baltymų turinčios frakcijos su A280/A540 maždaug 1, 5 absorbcijos santykis buvo sujungti ir sukoncentruoti iki 30–40 mg ml-1 kristalizacijai. Vidutinė LEXSY optimizuotų LR 1–313 ir LR 49–313 konstrukcijų išeiga buvo atitinkamai 20 mg ir 10 mg iš 1 litro kultūros.

Baltymų įtraukimas į liposomas

Fosfolipidai 1-palmitoil-2-oleoilglicero-3-fosfocholinas ir 1-palmitoil-2-oleoil-sn-glicero-3-fosfo-L-serinas santykiu 4:1 (masės masė –1) (POPC:POPS ) buvo ištirpinti CHCl3 (ypač grynas chloroformas, Applichem Panreac) ir išdžiovintas N srove2 stikliniame buteliuke. Tirpiklis pašalintas inkubuojant per naktį vakuume. Išdžiovinti lipidai buvo resuspenduojami 4 % (w v -1 ) natrio cholate. Mišinys buvo skaidrintas ultragarsu 4 ° C temperatūroje ir buvo pridėta LR baltymų: lipidų santykiu 1:20 (w w -1). Ploviklis buvo pašalintas pridedant ploviklį sugeriančių granulių (Amberlite XAD 2, Supelco) ir 2 dienas inkubuojant 4 °C temperatūroje. 1, 5 ml liposomų mišinio buvo dializuojamas prieš 100 mM NaCl (pH 8, 0) buferį 4 ° C temperatūroje 18 valandų (du 1, 5 l pakeitimai), kad būtų nustatytas norimas pH.

Protonų translokacijos aktyvumo matavimas proteoliposomose

Matavimai buvo atlikti su 1,5 ml maišomos liposomų suspensijos 4 °C temperatūroje. LR turinčios liposomos buvo paruoštos pagal aukščiau aprašytą protokolą. Liposomos 10 minučių buvo apšviestos halogenine lempa (Intralux 5000-1, VOLPI), o po to dar 10 minučių laikomos tamsoje. PH pokyčiai buvo stebimi pH matuokliu (LAB 850, Schott Instruments). Matavimai buvo pakartoti, esant 30 μM karbonilcianido m-chlorfenilhidrazino (CCCP, Sigma-Aldrich) panašiomis sąlygomis.

Nano-DSF matavimai

Nano-DSF matavimai buvo atlikti naudojant Prometheus NT.48 prietaisą (NanoTemper Technologies, Vokietija). Iš viso buvo pagaminti 6 viso ilgio ir sutrumpinto LR mėginiai, kurių pH 6,0, 7,0 arba 8,0, o DDM koncentracija 0,05% ir 1%. Pirma, mėginiai su išgrynintu LR, kurio koncentracija 1 mg ml -1, buvo dializuojami prieš 200 mM NaCl, 0, 05% DDM buferį 18 valandų 4 ° C temperatūroje. Po to baltymas buvo įvestas į 50 mM Na2HPO4/NaH2PO4, 200 mM NaCl buferio su norimu pH ir dar 18 valandų inkubuojamas 4 °C temperatūroje. Apie 10 μl kiekvieno mėginio buvo įkelta į UV kapiliarus („NanoTemper Technologies“). Temperatūros gradientas buvo nustatytas 1 ° C min -1 intervale nuo 15 iki 98 ° C. Baltymų išsiskleidimas buvo stebimas stebint triptofano fluorescencijos pokyčius, kai emisijos bangos ilgiai yra 330 ir 350 nm. Santykis tarp emisijos intensyvumo esant 350 ir 330 nm (F350/F330) buvo naudojamas struktūriniams pokyčiams, kylant temperatūrai, stebėti. Lydymosi temperatūros temperatūra (Tm) buvo apskaičiuoti naudojant smailes pirmoje signalo duomenų išvestinėje.

Laiko skiriamosios gebos sugerties spektroskopija

Lazerinės blykstės fotolizės sąranka buvo panaši į aprašytą Chižovo ir bendradarbių50. Sužadinimo / aptikimo sistemos buvo sudarytos taip: buvo naudojamas Brilliant B lazeris su OPO Rainbow (Quantel Inc.), suteikiantis 4 ns trukmės impulsus esant 530 nm bangos ilgiui ir 2 mJ vienam impulsui. Mėginiai (5 × 5 mm spektroskopinė kvarcinė kiuvetė Hellma, Vokietija) buvo patalpinti į termostatą tarp dviejų kolimuotų ir mechaniškai sujungtų monochromatorių (LOT MSH150). Zondavimo šviesa (ksenono lanko lempa, 75 W, Hamamatsu) praėjo pirmąjį monochromatoriaus pavyzdį ir po antrojo monochromatoriaus pateko į fotodauginimo vamzdžio (PMT) detektorių (R12829, Hamamatsu). PMT srovės ir įtampos keitiklis nustato matavimo sistemos laiko skiriamąją gebą apytiksliai. 50 ns (matuojamas kaip 5 ns lazerio impulso tariamasis impulso plotis). Du skaitmeniniai osciloskopai (Keysight DSO-x4022A, 2 vnt., atitinkamai 25 kilobaitai buferinės atminties vienam kanalui) buvo naudojami trumpalaikių perdavimo pokyčių pėdsakams įrašyti dviejuose persidengiančiuose laiko langeliuose. Didžiausia skaitmeninimo sparta buvo 10 ns duomenų taške. Laikini absorbcijos pokyčiai buvo užfiksuoti nuo 10 ns po lazerio impulsų iki visiško fototransformacijos pabaigos. Kiekvienam bangos ilgiui buvo apskaičiuotas 25 lazerio impulsų vidurkis, siekiant pagerinti signalo ir triukšmo santykį. Kvazilogaritminis duomenų suspaudimas sumažino pradinį duomenų taškų skaičių viename pėdsake (

850 taškų, tolygiai paskirstytų pagal žurnalo laiko skalę

100 taškų per laiko dešimtmetį. Bangos ilgiai buvo keičiami nuo 330 iki 700 nm 10 nm žingsniais, naudojant kompiuteriu valdomą žingsninį variklį. Mėginių sugerties spektrai buvo matuojami prieš ir po kiekvieno eksperimento standartiniu spektrofotometru (Avantes Avaspec 2048 L).

Duomenų apdorojimas ir visuotinė tinkamumo analizė

Kiekvienas duomenų rinkinys buvo nepriklausomai analizuojamas naudojant visuotinę daugiaeksponentinę netiesinę mažiausių kvadratų pritaikymo programą MEXFIT50. Eksponentinių komponentų skaičius buvo padidintas, kol svertinių likučių SD toliau nepagerėjo. Nustačius tariamąsias greičio konstantas ir jas priskyrus vienos relaksacijos procesų grandinės vidiniams negrįžtamiems perėjimams, eksponentų amplitudės spektrai buvo transformuoti į atitinkamų tarpinių junginių skirtumo spektrus galutinės būsenos spektro atžvilgiu. Subsequently, the absolute absorption spectra of states were determined by adding the difference spectra divided by the fraction of converted molecules to the spectra of the final states. Criteria for the determination of the fraction value were the absence of negative absorbances and contributions from the initial state to the calculated spectra of the final state.

Kristalizacija

The crystals were grown with an mezoje approach 74,75,76 , similar to that used in our previous works 7,8 . The solubilized protein (40 mg ml −1 ) in the crystallization buffer was mixed with premelted at 42 °C monoolein (MO, Nu-Chek Prep) in 3:2 ratio (lipid: protein) to form a lipidic mesophase. The mesophase was homogenized in coupled syringes (Hamilton) by transferring the mesophase from one syringe to another until a homogeneous and gel-like material was formed 77 . About 150 nl drops of a protein–mesophase mixture were spotted on a 96-well LCP glass sandwich plate (Marienfeld) and overlaid with 400 nL of a precipitant solution using the NT8 crystallization robot (Formulatrix). The best crystals were obtained with a protein concentration of 20 mg ml −1 and 100 mM HEPES, pH 7.0, 4% PEG 3350, 1 M sodium malonate pH 7.0. The crystals were grown at 22 °C and appeared in 1–4 weeks. The needle-like crystals grew to 100 μm in size. Once crystals reached their final size, crystallization wells were opened as described previously 78 , and drops containing the protein–mesophase mixture were covered with 100 μl of the respective precipitant solution. All crystals were harvested using micromounts (MiTeGen), flash-cooled, and stored in liquid nitrogen before data collection.

Duomenų rinkimas

X-ray diffraction data were collected at ID30b beamline at ESRF, Grenoble, France at 100 K with a PILATUS3 6 M (Dectris) detector. Diffraction images were processed with XDS software and initially scaled using Aimless from the CCP4 suite. The analysis of the anisotropy indicated that the data are anisotropic therefore, it was also treated using Staraniso server 79 . The crystallographic data statistics are shown in Table 1.

Structure refinement

Reference model (HsbR, PDB 1C3W) was used for molecular replacement using Molrep from the CCP4 suite. The initial phases were successfully obtained in the P212121 space group. The initial model was iteratively refined using REFMAC5 80 , PHENIX 81 , and Coot 82 . Anisotropically treated data on LR improved the quality of the electron-density maps compared with the isotropically treated data. Therefore, the data from the Staraniso server were used to build the final model. However, the completeness of the anisotropically treated data is low (40% at the highest-resolution shell). Consequently, we refined the final model against the isotropically treated data to obtain the most reliable structure and the corresponding electron-density maps. Importantly, R-free flags were the same for both anisotropically- and isotropically- treated data. The final R work/R free values and refinement statistics are shown in Table 1. The R work /R free values are unexpectedly high for the 2.2 Å resolution, which is most likely due to the presence of a high level of translational non-crystallographic symmetry (tNCS) as indicated by Xtriage software from PHENIX

Reporting summary

Further information on research design is available in the Nature Research Reporting Summary linked to this article.


The immortal, halophilic superhero: Halobacterium salinarum – a long-lived poly-extremophile

Halobacterium salinarum is an extremophile superhero on at least three counts. It can: (1) start to grow only when salt concentrations are three times higher than seawater &ndash and flourish when the main salt in seawater (sodium chloride, NaCl) starts to come out of solution (2) withstand extremely high doses of radiation and (3) survive for thousands and possibly millions of years entombed within crystals of salt. This article will highlight how these three properties of extreme halophily (salt-loving), radiation resistance and longevity are interconnected.

Halobacterium salinarum was originally grown in the laboratory from salted fish, but has been found in salt lakes, coastal salterns and ancient salt crystals. It belongs to the domain Archaea, and specifically to the family Halobacteriaceae (more commonly called haloarchaea). It is a single-celled organism and, like many of its relatives, forms red or pink colonies on agar plates, primarily because its cell membrane contains carotenoids (fatty compounds similar to those in carrots and tomatoes). The red colour of extremely salty environments, like the Great Salt Lake in Utah, is imparted by haloarchaea, and can be seen from space.

A SOLAR SALTERN AT SALINAS DE S'AVALL, MALLORCA, SPAIN

The red pond on the left is saturated with sodium chloride (NaCl), and has a crust of halite (NaCl) crystals on the surface. The mound of harvested halite is about 2.5m high.

Adaptations to extremely high salinity

Dėl H. salinarum to grow in hypersaline environments, it contains a highly concentrated salt solution (mainly consisting of potassium chloride, KCl), so the osmotic pressure inside and outside the cell is balanced consequently, all of its proteins are adapted to work under these conditions. If it were placed in a freshwater lake or even in the ocean, water would flood into the cell, the cell membrane and proteins would lose their structure and the cells would burst open. This commitment to an extremely salty existence has its advantages H. salinarum can grow with less interspecies competition than microbes living in more moderate conditions such as the ocean. This allows it to take advantage of the large quantity of organic matter that accrues as saline water evaporates, and the new organic matter made by photosynthesising halophiles. The main photosynthetic microbe that lives alongside H. salinarum is the green alga Dunaliella salina, which, instead of having a salt-filled cytoplasm, packs its cells with the small organic compound, glycerol, which maintains osmotic balance between the inside and outside of the cell. Glycerol leaking from the algal cells provides an excellent source of carbon and energy for H. salinarum. There is new evidence that H. salinarum provides nutrients to stimulate growth of the alga in return &ndash a form of symbiosis. H. salinarum does face some competition, even in salt-saturated brines its most enigmatic co-habitant is another haloarchaeon, Haloquadratum walsbyi. The &lsquoquadratum&rsquo part of its name refers to its remarkable flat, square-shaped cells that divide like an old-fashioned sheet of postage stamps.

COLONIES OF HALOBACTERIUM SALINARUM GROWING ON SALT-SATURATED AGAR PLATE

Adaptations to high levels of radiation

Hypersaline environments are prone to drying up, which, coupled with the high level of ultraviolet radiation that is typical of such environments, can result in cell damage. Both desiccation and radiation can damage cells by the production of highly reactive forms of oxygen, and so microbes that cope with drying are generally also good at surviving high doses of radiation. H. salinarum has evolved mechanisms that make it one of the most radiation-resistant microbes known. Evidence is emerging that the high cellular concentrations of peptides and the minerals phosphate and manganese (and correspondingly low levels of iron), combine to protect cellular proteins. These proteins include enzymes that repair damaged nucleic acids, which, combined with other unusual haloarchaeal features, such as multiple copies of the chromosome and an efficient means of repairing and recombining DNA fragments, ensures genetic material stays intact. The carotenoids and high cellular concentrations of KCl also provide radiation protection.

Living in tiny brine inclusions in salt crystals

Although a crystal of common salt may look completely dry, up to 5% of its volume is liquid in the form of hundreds of brine inclusions, i.e. small reservoirs of salt-saturated brine surrounded by a solid matrix of NaCl. The pioneering work of Professor Bill Grant and others revealed that haloarchaea become trapped inside salt crystals, living in the brine inclusions. Hypersaline environments are dynamic systems that frequently dry up so this strategy employed by H. salinarum and friends enables them to survive within a small-scale aquatic environment until the rains come and dissolve the salt crystals, regenerating the brine lake.

MICROSCOPIC IMAGES FROM A NATURAL HYPERSALINE BRINE

Based on their morphologies we can identify D. salina living alongside Haloquadratum walsbyi (flat square with gas vesicles). A rod-shaped microbe can be seen, which may be Halobacterium salinarium

Staying alive over geological time

But what happens to the haloarchaea if the rains don&rsquot come and the salt starts to accumulate and ultimately gets buried? From laboratory experiments we know that haloarchaea, and H. salinarum in particular, can remain alive inside salt crystals for years. We cannot perform experiments for thousands of years, instead, we sample directly from ancient buried salt deposits, taking great care to exclude external contaminants. Different research groups have independently and repeatedly isolated haloarchaea from ancient salt crystals, and evidence for &lsquosuper&rsquo survival over millions of years is growing, while evidence for survival over tens of thousands of years is almost unequivocal.

Over time, salt crystals may be buried, forming the salt deposits we mine today, and providing an environment conducive to long-term survival of entombed microbes by restricting the amount of radiation reaching the cells. In addition, the salt-saturated brine inclusions contain little oxygen, minimising the creation of cell-damaging reactive oxygen compounds. Beje, H. salinarum can grow with or without oxygen.

SCHEMATIC ILLUSTRATION OF WHERE AND HOW HALOARCHAEA SURVIVE IN SALT CRYSTALS

From left to right. A laboratory-made crystal of NaCl encasing a haloarchaeal species. The orange colour is from the haloarchaea. The cloudiness of the halite (NaCl) crystal is due to the large number of brine inclusions shown in the second schematic. The third schematic illustrates a single, large brine inclusion, showing the scenario in which H. salinarum is entombed with the green alga D. salina (top left). e shows a single cell of H. salinarum. Those environmental or cellular features that enable the cells to survive over geological time are described in the boxes. Sizes are for illustrative purposes only and pictures are not always drawn to scale. T. McGenity

Download a version of the diagram:

What can H. salinarum feed on inside brine inclusions?

The repair of H. salinarum proteins and nucleic acids needs organic matter for energy. An obvious question is whether there is enough organic matter in the brine inclusions to keep H. salinarum alive for thousands of years. The brine inclusions are best considered relative to the size of the microbes that they are housing: a single cell of H. salinarum in a brine inclusion is equivalent to a water flea in a bucket of water. Also, there are often thousands of co-entombed microbial cells, including D. salina. In fact, remnants of this glycerol-packed green alga have been found in ancient brine inclusions by Tim Lowenstein&rsquos group. There is a good supply of organic matter from D. salina and the dead cells of those haloarchaea that are less adept at surviving in brine inclusions, such as the square Haloquadratum walsbyi, to allow H. salinarum išlikti gyvam.

Where next?

There are many open questions about the amount of energy needed, the nature of the environment and the cellular adaptations required to hold the Grim Reaper at bay for millions of years. It will be important to learn how different species of halophile interact, and how those interactions change over time in the closed system of a brine inclusion. Astrobiologists should be aware of H. salinarum&rsquos long-term survival, as Mars once had an environment that was more conducive to life, including hypersaline brines that turned into salt deposits. Also, Jupiter&rsquos moon Europa has subterranean hypersaline seas. Therefore, if we are going to search for existing or former life on other planets, these salty environments should be prime targets.

TERRY J. MCGENITY

School of Biological Sciences, University of Essex, Wivenhoe Park, Colchester CO7 9QZ, UK
[el. paštas apsaugotas]

FURTHER READING

Gramain, A. & others (2011). Archaeal diversity along a subterranean salt core from the Salar Grande (Chile). Environ Microbiol 13, 2105&ndash2121.
McGenity, T. J. & others (2000). Origins of halophilic microorganisms in ancient salt deposits. Environ Microbiol 2, 243&ndash250.
McGenity, T. J. & Oren, A. (2012). Hypersaline environments. In Life at Extremes: Environments, Organisms and Strategies for Survival, pp. 402&ndash437. Edited by E. M. Bell. Wallingford: CAB International.
Orellana, M. V. & others (2013). A role for programmed cell death in the microbial loop. PLoS ONE 8, e62595.
Robinson, C. K. & others (2011). A major role for nonenzymatic antioxidant processes in the radioresistance of Halobacterium salinarum. J Bacteriol 193, 1653&ndash1662.
Schubert, B. A. & others (2010). Halophilic Archaea cultured from ancient halite, Death Valley, California. Environ Microbiol 12, 440&ndash454.

Image: A solar saltern at Salinas de S'Avall, Mallorca, Spain Rafael Bosch, Colonies of Halobacterium salinarum Matt W. Ford, Microscopic images from a natural hypersaline brine Mike Dyall-Smith. Illustrations by James B. W. Ilustration.


The Effects of HZE Particles, γ and X-ray Radiation on the Survival and Genetic Integrity of Halobacterium salinarum NRC-1, Halococcus hamelinensis, and Halococcus morrhuae

Three halophilic archaea, Halobacterium salinarum NRC-1, Halococcus hamelinensis, and Halococcus morrhuae, have been exposed to different regimes of simulated outer space ionizing radiation. Strains were exposed to high-energy heavy ion (HZE) particles, namely iron and argon ions, as well as to γ radiation ( 60 Co) and X-rays, and the survival and the genetic integrity of the 16S rRNA gene were evaluated. Exposure to 1 kGy of argon or iron ions at the Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba (HIMAC) facility at the National Institute for Radiological Sciences (NIRS) in Japan did not lead to a detectable loss in viability only after exposure to 2 kGy of iron ions a decline in survival was observed. Furthermore, a delay in growth was manifested following exposure to 2 kGy iron ions. DNA integrity of the 16S rRNA was not compromised up to 1 kGy, with the exception of Hcc. hamelinensis following exposure to argon particles. All three strains showed a high resistance toward X-rays (exposed at the DLR in Cologne, Germany), where Hcc. hamelinensis and Hcc. morrhuae displayed better survival compared to Hbt. salinarum NRC-1. In all three organisms the DNA damage increased in a dose-dependent manner. To determine a biological endpoint for survival following exposure to γ radiation, strains were exposed to up to 112 kGy at the Beta-Gamma-Service GmbH (BGS) in Germany. Although all strains were incubated for up to 4 months, only Hcc. hamelinensis and Hcc. morrhuae recovered from 6 kGy of γ radiation. In comparison, Hbt. salinarum NRC-1 did not recover. The 16S rRNA gene integrity stayed remarkably well preserved up to 48 kGy for both halococci. This research presents novel data on the survival and genetic stability of three halophilic archaea following exposure to simulated outer space radiation. Key Words: Halophilic archaea-Radiation-Survival. Astrobiology 17, 110-117.


Žiūrėti video įrašą: David Russo. Exploring cyanobacterial secretion for ecology and biotechnology (Birželis 2022).