Deinococcus radiodurans — äärmiselt kiirguskindel bakter ja DNA-parandus

Deinococcus radiodurans — äärmiselt kiirguskindel bakter, mille unikaalsed DNA-parandusmehhanismid ja geenid avavad uued võimalused vastupidavatele biotehnoloogiatele.

Deinococcus radiodurans on grampositiivne, mittemotiilne, punase pigmendiga bakter, mis elab sageli rühmades ehk tetradidena (rakkude paarid, mis moodustavad neljakesi). Liik avastati 1956. aastal kui kiiritatud lihakonservide saasteaine ja on alates sellest saanud mudelorganismiks äärmuslike keskkonnatingimuste taluvuse uurimisel.

Omadused ja eluviis

Deinococcus radiodurans on kergeunud ja aeglasema kasvuga bakter; talle on iseloomulik punakas pigment (deinoxanthin), mis aitab kaitsta rakku oksüdatiivse stressi eest. Rakkudes leidub samaaegselt mitu genoomikoopiat — see mitmekordne genoom mängib tähtsat rolli kahjustuste parandamisel ja geneetilise informatsiooni taastamisel pärast stressi.

Kiirgus- ja desikatsioonitaluvus

Deinococcus radioduransil on erakordselt kõrge tolerantsus erinevatele stressoritele: ta taastub nii tugeva ioniseeriva kiirguse kui ka kuivamisest (veekaotus) ja nälgimisest. See bakter talub kiirguse doose, mis tapaks enamiku teisi organisme — elusjäämus on täheldatud tuhandete gray (Gy) suurustega dooside juures (kõrgemad maksimaalsed väärtused sõltuvad eksperimendist ja tingimustest). Tänu sellele nimetatakse teda sageli kõige radioaktiivsekindlamaks organismiks.

DNA parandamine ja molekulaarsed mehhanismid

Deinococcus radioduransil on ulatuslikud DNA parandamise süsteemid, mis võimaldavad tal taastada genoomi pärast sadade kaksteisooneliste katkestuste tekkimist. Põhimehhanismide hulka kuuluvad efektiivne homologiline rekombinatsioon, kiire süntesiseerimine ja fragmendid ühendav taastumisprotsess (tihti nimetatud ESDSA — extended synthesis-dependent strand annealing) ning erinevad spetsiifilised valkude komplektid, mis stabiliseerivad ja liidavad DNA lõike.

Lisaks DNA-remondile on tähtis roll raku valgumaailma kaitsel: kõrge Mn/Fe suhe ja spetsiaalsed mangaanipõhised kompleksid aitavad kaitsta raku valke oksüdatiivse kahjustuse eest, võimaldades ensüümidel — sealhulgas remondientsüümidel — säilitada funktsiooni pärast kiiritust.

Mitmed konkreetsed geenid ja valgud on seotud selle võimega: recA-sarnased valgud soodustavad homologilist rekombinatsiooni; leiame spetsiifilisi stress-responsskeerulisi geene (nt ddr-seeria), samuti valke nagu PprA, mis osalevad DNA lõikude stabiliseerimises ja ühinemises. Tioredoksiini reduktaas on ensüüm, mida leidub rakkude reaktsioonis DNA kahesooneliste katkestuste korral ja mis aitab säilitada redutseeritud rakusisese keskkonna; sellel on roll raku taastumisvõimes pärast oksüdatiivset stressi.

D. radioduransil on geenijärjestus, mis kodeerib valku, mis on väga sarnane E. coli ensüümiga RecD. See oluline leid viitab sellele, et see RecD-taoline valk D. radioduransis on oluline osa tema kasutatavast remondisüsteemist — RecD- või RecD-laadsed komponendid osalevad DNA lõikude töötlemises ja rekombinatsioonis.

Uurimistöö ja biotehnoloogilised rakendused

Arusaamine D. radioduransi ainulaadsetest kaitsemehhanismidest on avanud võimalusi biotehnoloogias: bakterit uuritakse võimalike rakenduste jaoks radioaktiivsete jäätmete bioremedieerimisel, orgaaniliste reostuste kõrvaldamisel radioaktiivsetes keskkondades ning ka insenerlahendustes, kus on vaja vastupidavaid mikroobseid süsteeme. Lisaks on see organism huvipakkuv astrobioloogia ja eluvõime piiride uurimisel.

Võib-olla on võimalik muuta teisi baktereid sama kiirguskindlaks kui D. radiodurans, muutes nende geneetikat. Üks uurimisrühm Hiinas püüab lisada D. radiodurans'ist pärit ekspressiivset rekombinantset Mn-SOD-valku E.coli BL21-sse. Mn-SOD (mangaanisuperoksiiddismutaas) aitab vähendada hapniku radikaalide teket ja seeläbi vähendada oksüdatiivset kahju — see on üks paljudest lähenemistest, millega proovitakse edendada teiste liikide taluvust kiirguse ja muude oksüdeerivate stresside suhtes. Tõeline väljakutse on aga muuta üleantud valkudel põhinev kaitse uues liigis piisavalt tugevaks ja isemajandavaks ning tagada geneetiliselt stabiilne ja turvaline kasutus.

Ohud, piirangud ja eetilised kaalutlused

Kuigi geenide ülekandmine ja organismide inseneerimine pakub võimalusi, kaasnevad sellega ka riskid ja eetilised küsimused: töös radioaktiivsuse taluvuse suurendamisega tuleb arvestada biosüsteemide ohutust, võimalike edetabelite ja kontrollimehhanismide vajadust ning keskkonnamõjusid. Regulatiivsed raamistikud ja ohutusprotokollid on olulised enne praktilist rakendamist.

Kokkuvõtlikult on Deinococcus radiodurans erakordselt vastupidav bakter, mille edasised uurimised aitavad mõista rakkude vastupanuvõimet äärmistele stressteguritele ning pakuvad potentsiaali bioremediatsiooniks ja biotehnoloogilisteks lahendusteks, kuid samas nõuavad need uurimised hoolikat riskihindamist ja regulatiivset järelevalvet.

Küsimused ja vastused

K: Mis on Deinococcus radiodurans?

K: Millised süsteemid on Deinococcus radioduransil ja millest ta võib taastuda?

K: Kuidas talub Deinococcus radiodurans kiirgust?

K: Mis on tioredoksiini reduktaas?

K: Mis on D. radiodurans'i RecD-sarnane valk ja millele see viitab?

K: Kas teisi baktereid on võimalik muuta sama kiirguskindlaks kui D. radiodurans?

K: Milline on tegelik väljakutse D. radiodurans'i ekspressiivse rekombinantse Mn-SOD valgu sisestamisel E.coli BL21-sse?

Otsing