Экстремофилы в биотехнологии

Экстремофилы в биотехнологии — это применение организмов, которые процветают в экстремальных условиях, в биотехнологии .

Экстремофилы — это организмы, которые процветают в самых изменчивых средах на планете, и благодаря своим талантам они начали играть большую роль в биотехнологии. Эти организмы живут повсюду: от сред с высокой кислотностью или соленостью до областей с ограниченным или отсутствующим кислородом. Ученые проявляют живой интерес к организмам с редкими или странными талантами, и в последние 20-30 лет экстремофилы оказались на передовой, и тысячи исследователей углубились в их способности. ^[1] Область, в которой было больше всего разговоров, исследований и разработок в отношении этих организмов, — это биотехнология.

Ученые по всему миру либо извлекают ДНК для модификации геномов, либо напрямую используют экстремофилов для выполнения задач. ^[2] Благодаря открытию и интересу к этим организмам были обнаружены ферменты, используемые в полимеразной цепной реакции (ПЦР) , что сделало возможной быструю репликацию ДНК в лаборатории. С тех пор как они оказались в центре внимания, исследователи собирают базы данных геномных данных в надежде, что новые признаки и способности могут быть использованы для дальнейшего биотехнического прогресса. Все, от биодеградации отходов до производства новых видов топлива, находится на горизонте с разработками, сделанными в области биотехнологии. Существует много различных видов экстремофилов, и каждый вид предпочитает свою среду. Эти организмы становятся все более и более важными для биотехнологии, поскольку их геномы были раскрыты, раскрывая множество генетического потенциала. В настоящее время основное применение экстремофилов заключается в таких процессах, как ПЦР, производство биотоплива и биодобыча, но есть и много других операций меньшего масштаба. Есть также лаборатории, которые определили, что они хотят сделать с экстремофилами, но не смогли полностью достичь своих целей. Хотя эти масштабные цели еще не достигнуты, научное сообщество работает над их завершением в надежде создать новые технологии и процессы.

Экстремофилы — это термин, который охватывает большую группу организмов, наиболее заметными из которых являются археи , которые эволюционировали, чтобы заполнить ниши крайне негостеприимных сред. Такие среды включают высокие или низкие температуры, высокий уровень солености, высокий или низкий уровень pH и области, где выделяются летучие химические вещества. Эти организмы сделали некоторые из самых нежелательных мест на планете своим домом. Несколько примеров таких мест включают термальные источники на дне океана, газированные озера , стоки с химических заводов и кучи мусора на свалках.

Существует 4 основных типа экстремофилов:

Термофильные экстремофилы живут в областях с экстремальной жарой, лучшим примером которых являются геотермальные источники на дне океана. Преимущество этих организмов заключается в полимерах и ферментах, которые они производят, поскольку они очень термостабильны. ^{[3] [2]}

Галофильные экстремофилы живут в областях с высокой соленостью, таких как солнечные соляные озера и содовые озера. Их способность потреблять и процветать в областях с такой соленостью открывает возможные преимущества, такие как инокуляция культур в богатых солью почвах для их роста. Другое найденное для них применение заключается в производстве полимеров, используемых для изготовления биоразлагаемых пластиков. ^[2]

Метаногенные экстремофилы живут практически везде и являются наиболее распространенными. Эти организмы берут различные простые органические соединения и используют их для синтеза метана в качестве источника энергии. Нет других известных организмов, которые используют синтез метана как форму производства энергии. ^[2]

Психрофильные экстремофилы обладают способностью поддерживать высокие темпы роста и активность ферментов даже при температурах до 0°C. Это дает возможность использовать ферменты, обнаруженные в этих организмах, параллельно тому, как используются ферменты термофильных организмов, но при низких температурах, а не при высоких. ^[4]

Возможность жить в таких суровых условиях обусловлена ​​чертами и способностями организмов, закодированными в их геномах. Изменения, унаследованные с течением времени через ДНК, позволили этим организмам выработать различные виды устойчивости и иммунитета к изменчивой природе их домов. ^[2] Именно эти черты заставили ученых так зациклиться на экстремофилах, потому что гены, которые обеспечивают указанные способности, можно взять у экстремофилов и использовать в различных биотехнических процессах. Хорошим примером этого может служить то, как Taq-полимераза была выделена из бактерий Thermus aquaticus и затем использовалась для того, чтобы сделать возможным процесс ПЦР. ^[5] В некоторых случаях может быть использован даже весь организм из-за того, как он функционирует в природе. Хорошим примером этого может быть использование метаногенных экстремофилов для содействия разложению отходов. Хотя выше перечислены только четыре основных типа экстремофилов, существует гораздо больше типов, которые не упомянуты в этой статье.

Большое количество биологических и химических процессов, проводимых в лабораториях, занимают много времени, являются чрезвычайно деликатными и, как правило, дорогостоящими. Это связано с тем, что общие биологические ферменты, белки и другие различные органические соединения имеют очень специфические требования для их правильного функционирования. ^[6] Это, как правило, умеренные условия, и поэтому они известны как мезофильные. Катализаторы, которые включают изменения температуры, солености или кислотности, могут влиять на мезофильные органические соединения и продукты в рамках данного процесса, что, в свою очередь, отрицательно влияет на результат. Чтобы справиться с этим, ученым в прошлом приходилось использовать более длинные экспериментальные пути для достижения умеренных условий. Это, как было сказано ранее, увеличивает время, необходимое для проведения экспериментов и процессов, а также увеличивает затраты. ^{[ необходима цитата ]}

Чтобы преодолеть эту проблему, ученые обратились к экстремофилам из-за их природных способностей справляться с экстремальными условиями. Эти способности связаны с генами, которые можно выделить, извлечь и воспроизвести в лаборатории. ^{[6] [7]} При этом генетическая информация может быть имплантирована в заданные ферменты, полимеры, протеазы и другие различные органические соединения, чтобы придать им желаемую устойчивость. ^[3] Это позволяет быстро завершать биологические и химические процессы, поскольку можно обойти осторожные, длительные стратегии. Экстремофилы, как сами по себе, так и их ДНК, помогают ученым оптимизировать длительные исследовательские методы и процессы.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) была разработана в 1980-х годах Кэри Маллисом . ^[5] Позднее Маллис получил Нобелевскую премию за создание этого процесса в 1993 году. ПЦР использует один из термостойких ферментов, обнаруженных в термофиле T. aquaticus, для быстрого и эффективного создания копий определенных цепей ДНК. Небольшой образец целевой ДНК добавляется в пробирку вместе с праймерами ДНК, нуклеотидами ДНК, полимеразой Taq и буферным раствором. ^[8] После объединения этих пяти ключевых частей их можно поместить в термоциклер ПЦР. В этом устройстве смесь подвергается воздействию ряда температур снова и снова, циклически меняясь между 94-95°C, 50-56°C и 72°C. Эти три стадии известны как стадии денатурации, отжига и удлинения. Во время стадии денатурации при 94-95°C цепи ДНК разделяются, что позволяет создавать новые связи. Затем во время стадии отжига при 50-56°C праймеры прикрепляются к одиночным цепям ДНК, чтобы подготовить их к репликации. Наконец, на стадии удлинения при 72°C цепи ДНК реплицируются так, как они это делали бы естественным образом, поскольку нуклеотиды ДНК добавляются, преобразуя двухцепочечную спираль. ^[8] Эти стадии циклически повторяются несколько раз, пока не будет получено желаемое количество ДНК. Без фермента, вырабатываемого T. aquaticus , полимеразы Taq, этот процесс был бы невозможен, поскольку компоненты обычно денатурируют при таких высоких температурах.

Топливо играет большую роль в повседневной жизни во всем, от вождения автомобиля и отопления домов до крупномасштабных промышленных процессов и тяжелой техники. Поскольку природные газы и топливо расходуются, ученые сосредоточили свое внимание на возможных заменах для этих видов топлива. Одним из способов, которым это делается, является использование различных метаногенных и термофильных штаммов бактерий. Эти экстремофилы в больших количествах способны поглощать различные вещества, такие как сахара, целлюлоза и различные отходы, для производства метана, бутанола и биодизеля. ^[9] В то время как бутанол в высоких процентах обычно подавляет рост и функционирование биологических организмов, некоторые бактериальные штаммы, в первую очередь термофилы, были разработаны для обработки бутанола даже в высоких концентрациях. Одним из последних достижений в этой области является открытие экстремофильных штаммов водорослей, которые можно использовать для производства биодизеля. Cyanidium caldarium отмечен как один из самых многообещающих штаммов из-за высокого содержания липидов в биодизельных продуктах, которые он создает. ^[9] Хотя это приложение еще не получило широкого распространения и не получило широкомасштабного использования, ученые, работающие в этой области, надеются вскоре найти эффективное и устойчивое решение с участием экстремофилов.

Благодаря работе с различными экстремофилами была разработана технология биодобычи. Также известный как биовыщелачивание, этот процесс включает использование ацидофилов для удаления нерастворимых сульфидов и оксидов из различных металлов по мере их добычи из земли. ^[9] Обычный процесс кучного выщелачивания включает смешивание добытых металлов с высоколетучими химикатами, такими как цианид. Процесс биовыщелачивания отмечен как более безопасный подход к процессу добычи. Наряду с этим он также намного лучше для окружающей среды. При кучном выщелачивании возникает вероятность стоков и разливов, которые могут отравить окружающую среду при просачивании в землю. При биодобыче это беспокойство уменьшается, поскольку условия можно легко поддерживать с помощью термофильных и ацидофильных штаммов бактерий. ^[9] Этот процесс был отмечен не только как более безопасный и более экологичный, но и как способный извлекать больше металла. Кучное выщелачивание имеет около 60%-ную степень извлечения, в то время как при биовыщелачивании показатели достигают 90%. ^[9] До сих пор с помощью этого процесса успешно добывались золото, серебро, медь, цинк, никель и уран.

Эти три примера, перечисленные выше, являются несколькими из основных применений экстремофилов в биотехнологии, но они не единственные. Другие различные применения, которые не будут полностью описаны здесь, включают: производство каротиноидов, производство протеазы/липазы, производство гликозилгидролазы и производство сахара. ^[9] Эти вторичные применения сосредоточены на производстве биологических соединений, которые могут использоваться в основных применениях, таких как перечисленные выше.

Благодаря возросшему интересу к экстремофилам была разработана революционная технология ПЦР, которая вывела область изучения ДНК на новый уровень. Следуя этой тенденции, ученые как в области биотехнологий, так и в промышленности хотят продвинуться дальше и найти новые способы воздействия на научное сообщество. Одним из способов, который в настоящее время изучается, является производство пластика галофильными экстремофилами, чтобы современный пластик на основе нефти мог уйти в прошлое. ^[6] Это выведет биоразлагаемый пластик на мировой рынок, что в долгосрочной перспективе предлагается как способ борьбы с мировой проблемой мусора. Еще одним достижением, которого ученые надеются добиться с помощью этих организмов, является увеличение деградации свалок по всему миру с использованием метаногенных видов, которые процветают на органических соединениях, обнаруженных там. ^{[10] [1]} Это не только сократит отходы, но и, как надеются, будет собираться и использоваться в качестве источника энергии производимый метан. Еще одно интересное будущее развитие лежит в области медицины. Некоторые биотехнические лаборатории изучают возможность использования экстремофилов, разработанных для производства частей вирусов на своей поверхности, чтобы вызвать реакцию иммунной системы. ^[9] Это помогло бы тренировать иммунную память и реакцию антител для защиты организма в случае, если указанный вирус когда-либо атакует. Хотя это всего лишь несколько примеров, есть еще много достижений и разработок, которые работают над использованием экстремофилов в надежде создать лучшее будущее.