Анаэробные серовосстанавливающие бактерии

Впервые анаэробные серовосстанавливающие экстремально-термо­фильные архебактерии были выделены Штеттером и Циллигом в 1981 г. из серосодержащих грязей со дна океана и глубоководных гидротермальных источников, расположенных вблизи потухших вулканов в Италии и Ислан­дии. Открытые бактерии были отнесены к порядку Thermoproteales и раз­делены на семейства - Thermoproteaceae, Desulfurococcaceae, Thermococcaceae. Четвертое семейство пока не получило официального наименования, но условно названо "Stiff filaments"- "упругие ни­ти".

Таксономическое положение семейств порядка Thermoproteales было определено на основании данных по перекрестной гибридизации 16S рРНК и ДНК различных архебактерий. Дендрограмма, полученная на ос­новании этих результатов (рисунок 1), в основном совпадает с дендрограммой, представленной Вузом. Согласно проведенным экспериментам представители порядка Thermoprotealee попадают в одну подгруппу с Sulfolobus и вместе с Sulfolobus образуют отдельную ветвь архебактерий.

Рисунок 1. Дендрограмма функциональной стабильности гибридомов между 16S РНК и ДНК архебактерий.

В настоящее время группа анаэробных серовосстанавливающих бактерий насчитывает 7 родов (таблица 3). В состав группы входят бактерии с разной морфологией (таблица 4). Среди них есть неподвижные и подвижные формы, передвигающиеся с помощью полярно расположенных жгутиков.

Размножение отдельных видов происходит почкованием (Thermoproteus tenax, Thermophilum pendens). Почка образуется главным образом терминально, но также может образовываться на различных частях клеточной поверхности.

Таблица 3.- Анаэробные серовосстанавливающие архебактерии

Микроорганизмы	Год откры­тия	Место обитания	Опти­маль­ная тем­пература	Опти­маль­ный рН	Содержание ГЦ в ДНК, мол. %
Thermoproteus tenax		морская донная грязь в Исландии		5,5	55,5
Desulfurococcus D.mobilis D.mucosus		кислые го­рячие ис­точники в Исландии		5,5-6,0	50,8 51,3
Thermophilum pendens		серные го­рячие ис­точники в Исландии	88-90	5,0-6,0	57,4
Thermococcus celer		горячие источники вулканического происхождения в Италии		5,8	нд*
Thermodiscus maritimus		горячие источники вулканического происхождения в Италии		6,5	нд *
Pyrodictium P.occultum P.brockli		донные морские гидротермы в Италии		6,5 6,5	51,6-56,6
Pyrococcus furiosus		геотермально обогреваемые морские осадки в Италии		7,0	нд*
*нд - нет данных

У некоторых представителей анаэробных серовосстанавливающих
архебактерий обнаружены пили. У Pyrodictium найдена необычная сеть
фибрилл, которая часто бывает представлена в виде связок. Высказывается мнение, что сеть фибрилл предохраняет клетки от сверхвысокой температуры и принимает участие в метаболизме.

В качестве запасного вещества продуцируют гликоген (Thermococcus
Desulfurococcus, Thermoproteus).

Клеточная стенка серовосстанавливающих архебактерий построена из гликопротеиновых субъединиц гексагонального строения. Исключение составляет Pyrodictium brockii. Преобладающим компонентом клеточной стенки этого организма является белок с молекулярной массой 150000. Следует отметить, что субъединицы гексагонального строения у анаэробных бактерий встречаются редко и известны только у экстремально-термофильных бактерий. Предполагается, что гексагональное располо­жение субъединиц в поверхностном слое клетки обеспечивает более хо­рошее покрытие нижних слоев.

Различные виды анаэробных серовосстанавливающих архебактерий имеют температурный оптимум для роста в области 85-I05°C (таблица 3). Максимальная температура их роста находится в пределах 90-110°С. Среди них встречаются ацидофилы и нейтрофилы (таблица 3). Некоторые виды (Pyrodictium) устойчивы к высоким концентрациям NaCL (12 %).

В группе анаэробных серовосстанавливающих бактерий извест­ны облигатные и факультативные автотрофы, гетеротрофы (таблица 4). Механизм фиксации СО₂ у автотрофных Thermoproteales пока на расшиф­рован. Из органических соединений используют пептиды, аминокислоты (Desulfurococcus, Thermococcus), углеводы, например, крахмал, мальтозу (Pyrococcus), гликоген, глюкозу (Thermoproteus), а также простые соединения, такие, как формальдегид, формиат, малат, фумарат, метанол, этанол (Thermoproteus).

Распространенной формой энергетического метаболизма серовосста­навливающих архебактерий является "анаэробное дыхание". Конечным ак­цептором электронов служит молекулярная сера, которая восстанавливается до H₂S. Из неорганических доноров электронов и энергии ряд представителей Thermoproteales (Thermoproteus, Thermodiscus, Pyrodictium) могут использовать Н₂. Представители двух родов этого порядка – Desulfurococcus и Thermococcus – способны к брожению.

Таблица 4.- Характеристика некоторых свойств анаэробных серовосстанавливающих архебактерий

Микроорганизмы	Морфология	Подвижность	Способ питания
Thermoproteus tenax	Палочки, весьма вариабельны 0,5x1-80 мкм. Иногда дают раз­ветвления без септ. Бывают V-образной формы	неподвижны	факультативные автотрофы
Desulfurococcus mobilis	Кокки, вариабель­ны 0,2-5 мкм	подвижны, жгу­тики монопо­лярные политрихи	гетеротроф
Thermophilum pendens	Нитевидные па­лочки: 0,17-0,35х1-100 мкм. Иногда дают раз­ветвления	неподвижны	гетеротроф
Thermococcus celer	Клетки сферические I мкм	подвижны, жгу­тики монопо­лярные политрихи	гетеротроф
Thermodiscus maritimus	Клетки диcковидные	нд*	облигатный автотроф
Pyrodictium occultum	Клетки в форме плоских дисков 0,2x0,3-2,5 мкм	нд*	облигатный автотроф
Pyrococcus furiosus	Клетки сферические 0,8-2,5 мкм	подвижны, жгу­тики монопо­лярные политрихи	гетеротроф
*нд - нет данных

В природной обстановке серовосстанавливащие анаэробные архебактерии находятся в тесном сообществе друг с другом и некоторыми термофильными архебактериями. Предполагают, что распространенные в гидротермальных источниках хемолитотрофные бактерии Thermodiscus и Thermoproteus наряду с Sulfolobus и термофильными метаногенами являются продуцентами органического вещества, которое используется гетеротрофными организмами Thermophilum и Desulfurococcus.

Галофильные архебактерии.

Группа экстремально галофильных архебактерий включает микро­организмы, которые обитают в местах с высоким содержанием Nа, СL, Мg т.д. Лучше всего они растут при концентрации NaCl от 3 - 4,5 М, но могут расти и в насыщенном растворе NаСL (5,2 М). Высоки потреб­ности галофилов и в Мg⁺⁺- 0,1-0,5 М, а для некоторых видов (Halobacterium sodomens) - 0,6-1,2 М. Потребность в К⁺ значительно ни­же - 0,025 М. Однако внутриклеточная концентрация К⁺ в клетках всегда выше (более 3 М), чем Nа⁺ и Мg⁺⁺, и может составлять у от­дельных микроорганизмов от 30 до 40 % сухого вещества клеток. Пу­тем поддержания повышенной концентрации К⁺ в цитоплазме экстремаль­ные галофилы компенсируют высокое осмотическое давление среды. Вы­сокие концентрации ионов необходимы галофилам и по ряду других при­чин. Во-первых, для обеспечения структуры и жесткости клетки (Halobacterium). Во-вторых, для эффективного функционирования белоксинтезирующей и транспортной систем. В-третьих, для поддержания ката­литической активности и стабильности ферментов.

В состав группы экстремальных галофилов входят морфологически разнообразные формы (таблица 5), подвижные ( Halobacterium, "квадрат­ная бактерия") и неподвижные. Размножение происходит бинарным деле­нием в одной (Halobacterium, Halococcus) или в 2 плоскостях ("квадратная бактерия"). У некоторых видов обнаружены газовые ваку­оли. В качестве запасного вещества синтезируют поли-β-гидрооксибурат. Ряд видов продуцирует галоцин Н4 (бактериоцин), подавляющий рост других галобактерий. Бактериоцидное действие галоцина Н4 свя­зано с нарушением ионной проницаемости мембраны.

Клеточные стенки галофильных архебактерий образованы либо бел­ковыми субъединицами, либо гликопротеиновыми, либо высокосульфатированными гетерополисахаридами.

Таблица 5.- Экстремально галофильные архебактерии

Микроорганизмы	Год открытия	Морфология
Halococcus		кокки 0,6-1,5 мкм
Halobacterium		палочки 0,6-1x1-6 мкм; ред­ко дискообразные
"Квадратная бак­терия"*		клетки в форме квадрата; 1,5x1,5 до 11x11 мкм .
Haloarcula		клетки плоские, прямоуголь­ные, в форме коробочки
Natronococcus		кокки
Natronobacteriua		палочки
"Треугольная бактерия"*		клетки плоские, треуголь­ные
*- название рода еще не предложено

Мембранный аппарат представлен цитоплазматической мембраной. Липидный состав весьма своеобразен. Основную массу составляют поляр­ные липиды, построенные из глицерина и С₂₀-спирта (рисунок 2). Нейтраль­ные липиды представлены изопреновыми углеводородами. Последние, и среди них бактериоруберин, за­щищают клетки от фотохимических повреждений и обусловливают окрас­ку колонии от розового до красного.

В мембране галофильных бактерий локализованы 3 небольших ре-тинальсодержащих белка, сходных с родопсином - зрительным пигмен­том сетчатки позвоночных. Основная доля приходится на бактериородопсин. Он содержится в пурпурных мембранах и функционирует как "про­тонный насос", используя энергию света. Второй ретинальсодержащий белок - галородопсин - также принимает участие в процессе утилиза­ции энергии света. Действует как "хлоридная помпа" - закачивает на свету в клетки СL. Предполагаемый физиологический смысл этого про­цесса состоит в восполнении клетками потерь сL^- , которые происходят под действием трансмембранного градиента электрического потенциала. Третий сенсорный пигмент - "медленный родопсин" - выполняет роль рецептора при фототаксисе (положительном и отрицательном) и обеспе­чивает пространственную ориентацию клеток, оптимальную для жизнедеятельности.

Галофильные архебактерии являются аэробными и факультативно анаэробными организмами. Хорошо растут при температуре 30-50°С, с оптимумом З5-40°С. Нейтрофилы. Пределы роста при рН 5,8-8,0.

Галофильные архебактерии имеют сложные пищевые потребности. Основным источником углерода и энергии служат аминокислоты и пептиды. Ряд галофилов способен утилизировать углеводы (с образованием кислоты), дикарбоновые кислоты, спирты, крахмал.

Распространенной формой энергетического метаболизма у галофиль­ных архебактерии является аэробное дыхание. Некоторые виды в анаэ­робных условиях осуществляют "нитратное дыхание" и брожение. При отсутствии кислорода галобактерии могут получать всю необходимую им энергию за счет уникального процесса фотосинтеза, в котором не участвуют хлорофилсодержащие реакционные центры, характерные для фотосинтезирующих организмов. В основе фотосинтеза бесхлорофильного типа галофильных архебактерий лежат светозависимые циклические превращения бакгериородопсина в ряд промежуточных форм, которые участвуют в переносе протона через мембрану в окружающую среду. В результате между внутренней и наружной сторонами мембраны создает­ся электрохимический трансмембранный градиент протонов. Поскольку при этом концентрация ионов Н⁺ снаружи выше, чем внутри, эти ионы стремятся диффундировать обратно в клетку через находящиеся в мембране молекулы АТФ-синтезирующего фермента. Проходя через протонзависимую АТФ-азу, ионы Н⁺ отдают свою энергию, которая исполь­зуется для синтеза АТФ из АДФ и фосфора (рисунок 2).

За счет энергии трансмембранного градиента протонов поддержи­вается градиент Na⁺ между окружающей средой и цитоплазмой (антипорт H⁺/Na⁺).

Естественной экологической нишей экстремально галофильных ар­хебактерий являются природные соленые водоемы, где в подходящих

концентрациях имеется NaCl и другие необходимые им ионы. Галофилы заселяют бассейны для выпаривания соли (т.е. солеварни) под дей­ствием солнечного света, а также белковые материалы, сохраняемые с применением соли.

Место галофилов в микробной экосистеме связано с участием в циклах углерода и азота в засоленных нишах.

Рисунок 2. Схематическое изображение бактериородопсиновой протонной помпы