다이노코커스라디오두란스

Deinococcus radiodurans
다이노코커스라디오두란스
Deinococcus radiodurans.jpg
D.라디오두란의 사방체
과학적 분류 edit
도메인: 박테리아
문: 데이노코타속
클래스: 데이노코끼속
주문: 데이노코커스과
패밀리: 데이노코커스과
속: 데이노코커스속
종류:
라디오두란
이항명
다이노코커스라디오두란스
브룩스 & 머레이, 1981년

데이노코커스 방사성 요오드란스는 극호성 박테리아로 알려진 가장 내방사능성 유기체 중 하나이다.그것은 추위, 탈수, 진공, 그리고 산을 견뎌낼 수 있기 때문에 다극성 물질로 알려져 있다.그것은 기네스북에 세계에서 가장 강한 박테리아로 등록되어 있다.[1]

명칭 및 분류

The name Deinococcus radiodurans derives from the Ancient Greek δεινός (deinos) and κόκκος (kokkos) meaning "terrible grain/berry" and the Latin radius and durare, meaning "radiation surviving".그 종은 이전에 Micrococcus radiodurans로 불렸다.그 견고함 때문에, 그것은 야만인 [2]코난의 이름을 따서 "코난 더 박테리아"라는 별명을 얻었다.

처음에, 그것은 Micrococcus속에 속했습니다.리보솜 RNA 배열 및 다른 증거의 평가 후, 그것은 [3]테르무스속과 밀접한 관련이 있는 자체 Deinoccus속에 배치되었다.

데이노코쿠스는 데이노코커스목의 3개 속 중 하나이다.D. radiodurans는 이 속의 모식종이며 가장 잘 연구된 구성원이다.D. 프로테아티쿠스, D. radiopugnans, D. radiophilus, D. radiophilus, D. grandis, D. indicus, D. prigens, D. marmoris, D. deserti,[4] D. 지열 및 D. murrayi도 [5]호열이다.

역사

D. radiodurans는 1956년 오리건주 [6]코발리스의 오리건 농업 실험장에서 Arthur Anderson에 의해 발견되었다.통조림 식품이 다량의 감마선을 사용하여 멸균될 수 있는지 여부를 결정하기 위해 실험이 수행되었다.한 통의 고기는 알려진 모든 형태의 생명체를 죽이는 것으로 생각되는 방사선량에 노출되었지만, 그 고기는 그 후에 상했고, D. radiodurans는 분리되었다.

D. radiodurans의 완전한 DNA 배열은 1999년 The Institute for Genomic Research에 의해 발표되었다.게놈에 대한 상세한 주석과 분석은 [3]2001년에 나타났다.배열된 변종은 ATCC BAA-816이었다.

다이노코커스 방사두란은 단가닥 DNA와 이중가닥 DNA를 모두 복구할 수 있는 독특한 성질을 가지고 있다.세포에 손상이 나타나면 손상된 DNA를 구획 고리 모양의 구조로 가져와 DNA를 수리한 후 구획 외부에서 손상된 [7]DNA와 융합할 수 있다.

2020년 8월, 과학자들은 국제우주정거장(ISS)에서 실시된 연구에 근거해 지구로부터 온 박테리아, 특히 데이노코커스 방사성두란 박테리아가 우주 공간에서 3년 동안 생존하는 것이 발견되었다고 보고했다.이러한 발견들은 우주 먼지, 유성체, 소행성, 혜성, 유성체, 또는 오염된 [8][9]우주선을 포함한 다양한 방식으로 분포된 생명체가 존재한다는 가설인 팬스퍼미아 개념을 뒷받침한다.

묘사

D. radiodurans는 직경이 1.5~[10]3.5μm인 비교적 큰 구형 박테리아이다.보통 4개의 세포가 서로 붙어서 4개의 테트라드를 형성한다.그 박테리아는 쉽게 배양되어 [3]질병을 일으키지 않는 것으로 보인다.제어된 성장 조건 하에서 이합체, 사량체, 나아가 멀티머 형태소의 세포를 [10]얻을 수 있다.군락은 부드럽고 볼록하며 분홍색에서 빨간색으로 변합니다.세포 외피가 특이하고 그램 음성 [11]박테리아의 세포벽을 연상시키지만 세포는 그램 양성으로 염색된다.

디이노코커스 방사성 요오드란스는 내포자를 형성하지 않고 운동성이 없다.이것은 필수 호기성 화학 유기 열영양체입니다. 즉, 환경의 유기 화합물로부터 에너지를 얻기 위해 산소를 사용합니다.하수, 고기, 대변, 흙과 같은 유기물이 풍부한 서식지에서 종종 발견되지만, 의료 기구, 실내 먼지, 섬유,[11] 건조 식품으로부터도 격리되어 있습니다.

이온화 방사선, 자외선, 건조, 산화 및 친전자성 [12]물질에 매우 강하다.

그것의 게놈은 길이 265만 개의 염기쌍과 길이 41만 2천 개의 염기쌍과 177,000 개의 염기쌍의 메가플라스미드와 46,000 개의 염기쌍의 플라스미드로 구성되어 있다.그것은 약 3,195개의 유전자를 가지고 있다.정지 상태에서, 각 박테리아 세포는 이 게놈의 4개의 복사본을 포함합니다; 빠르게 증식할 때, 각 박테리아는 게놈의 8-10개의 복사본을 포함합니다.

이온화 방사 저항성

데이노코커스 방사선은 거의 생존력 손실 없이 5,000 그레이(Gy)의 급성 선량 또는 500,000 rad의 이온화 방사선과 37% [13][14][15]생존력에서 15,000 Gy의 급성 선량을 견딜 수 있다.5,000 Gy의 선량은 수백 개의 이중 가닥 절단(DSBs)을 생물 DNA에 도입하는 것으로 추정됩니다(약 0.005 DSB/Gy/Mbp(반수체 게놈)).비교를 위해 흉부 X선 또는 아폴로 임무는 약 1 mGy를 포함하고, 5 Gy는 사람을 죽일 수 있으며, 200–800 Gy는 대장균을 죽일 수 있으며, 4,000 Gy 이상은 내방사선 지각 동물을 죽일 수 있다.

현재 Chroocciidiopsis(시아노박테리아 문)와 Rubrobacter(방선균류 문)의 일부 종을 포함하여 유사한 내방사능을 가진 여러 박테리아가 알려져 있다. 고세균 중에서 Thermoccus gammatolorans 종은 유사한 [5]내방사능을 보인다.데이노코커스 방사두란은 또한 손상된 DNA를 복구하는 독특한 능력을 가지고 있다.제어 영역에서 손상된 세그먼트를 격리하고 복구합니다.이 박테리아는 또한 전체 [16]염색체에서 많은 작은 조각들을 복구할 수 있다.

이온화 방사 저항 메커니즘

데이노코쿠스는 게놈의 여러 복제와 신속한 DNA 복구 메커니즘을 통해 방사선에 대한 내성을 달성한다.보통 2단계 과정을 통해 12-24시간 내에 염색체 손상을 복구한다.첫째, D. radiodurans는 단가닥 어닐링이라고 불리는 과정을 통해 일부 염색체 조각들을 다시 연결합니다.제2단계에서는 복수의 단백질이 상동재조합을 통해 이중사슬 절단을 수복한다.이 프로세스는 일반 복제 라운드보다 더 많은 돌연변이를 유발하지 않습니다.이론적으로, 데이노코쿠스는 돌연변이 축적이 거의 또는 아예 없어야 한다.

주사 전자 현미경 분석 결과 D. radiodurans의 DNA가 단단히 채워진 토로이드로 구성되어 있어 [17]DNA 복구를 용이하게 할 수 있는 것으로 나타났습니다.

미로슬라프 라드만이 이끄는 크로아티아와 프랑스 연구팀은 DNA 복구 메커니즘을 연구하기 위해 D.라디오두란에게 폭격을 가했다.무작위 DNA 파괴가 있는 최소 두 개의 게놈 복사본은 아닐링을 통해 DNA 단편을 형성할 수 있다.이어서 부분적으로 겹치는 단편은 이동 D-루프를 통해 상동 영역의 합성에 사용되며, 단편은 상보적인 파트너 스트랜드를 찾을 때까지 연장을 계속할 수 있다.마지막 단계에서는 RecA의존성 상동재조합에 [18]의한 교차가 있다.

데이노코커스 방사두란은 한 세포에서 파생된 DNA가 다른 세포에 흡수되어 상동 [19]재조합에 의해 수용체 게놈에 통합되는 과정인 유전자 변형이 가능하다.DNA 손상(예: 피리미딘 이합체)이 UV 조사에 의해 기증자 DNA에 도입되면, 수용체 세포는 세포 자체가 조사될 때 세포 DNA에서와 같이 변환된 DNA의 손상을 효율적으로 복구한다.

마이클 데일리는 이 박테리아가 방사능 [20]피해로부터 스스로를 보호하기 위해 망간 복합체를 항산화제로 사용할 것을 제안했다.2007년에 그의 팀은 높은 세포 내 망간 수치가 나타났어요.D. radiodurans는 방사선에 의해 단백질이 산화되는 것을 방지하고, 그들은 "DNA보다는 단백질이 민감한 박테리아에서 [이온화 방사]의 생물학적 작용의 주요 대상이며, Mn 축적 박테리아에서 극도의 저항은 단백질 보호에 기초한다"[21]는 생각을 제안했다.2016년 마시밀리아노 페아나 외 연구진은 NMR, EPR, ESI-MS 기법을 통해 DP1(DEHGTAVMLK)과 DP2(THMVLAKGED)라는 두 개의 펩타이드와의 Mn(II) 상호작용에 대한 스펙트럼 분석 연구를 보고했다.이온화 [22]방사선에 대해 극단적인 저항을 부여할 수 있는 구성 요소를 포함하는 트랙.2018년에는 M. Peana와 C.Chasapis는 구조 데이터와 주석을 기반으로 한 생물학적 정보 전략의 결합 접근법에 의해 보고되었으며, DR의 게놈에 의해 부호화된 Mn(II) 결합 단백질과 ROS 반응 및 방어에 관여하는 DR 프로테옴 네트워크와의 망간 상호작용 모델을 제안했다.[23]

러시아와 미국의 과학자 팀은 D. radiodurans의 방사선 저항이 화성에서 비롯되었다고 제안했다.그들은 미생물의 진화가 [24]운석을 타고 지구로 전달되기 전까지 화성 표면에서 일어났을 수도 있다고 제안했다.하지만, 방사능에 대한 저항성을 제외하면, 데이노코쿠스는 유전적으로나 생화학적으로 다른 지구 생명체들과 매우 유사하며, 그들에게 흔하지 않은 외계 기원에 반대한다.

2009년, 일산화질소는 박테리아가 방사선 피폭으로부터 회복하는 데 중요한 역할을 한다고 보고되었다. 즉, DNA 손상이 복구된 후 가스가 분열하고 증식하는 데 필요하다.자외선 조사 후 일산화질소 생성을 증가시키는 유전자가 설명되었으며, 이 유전자가 없어도 박테리아는 DNA 손상을 복구할 수 있었지만 [25]자라지 않았다.

이온화 방사 저항성의 진화

D. radiodurans에 관한 지속적인 질문은 그러한 높은 수준의 방사선 저항이 어떻게 진화할 수 있는가 하는 것이다.자연방사선 수준은 대부분 지역에서 연간 0.4mGy로 매우 낮으며, 이란 람사르 근처에서 알려진 가장 높은 자연방사선은 연간 260mGy에 불과하다.자연발생적인 배경 방사선 수준이 매우 낮기 때문에 유기체가 높은 방사선의 영향을 막기 위해 특별히 메커니즘을 진화시킬 가능성은 낮다.먼 옛날에는 아직 붕괴되지 않은 원시 방사성핵종과 약 17억 년 전에 활동한 가봉 옥로의 자연 핵분열 원자로와 같은 것의 영향 때문에 더 높은 백그라운드 방사선이 존재했다.그러나, 그러한 조건에 대한 적응이 그 시간 동안 진화하더라도, 유전적 표류는 그들이 (다른) 진화적 이익을 제공하지 않았다면 거의 확실히 그것들을 제거했을 것이다.

루이지애나 주립 대학의 Valerie Mattimore는 D. radiodurans의 방사선 저항은 장기 세포 건조(건조)를 다루기 위한 메커니즘의 부작용일 뿐이라고 주장했다.이 가설을 뒷받침하기 위해, 그녀는 이온화 방사선에 의한 손상을 받기 쉬운 D. radioduran의 돌연변이 변종 또한 장기간의 건조로 인한 손상을 받기 쉽지만, 야생형 변종은 [26]두 가지 모두에 내성이 있다는 것을 증명하는 실험을 수행했다.DNA 복구 외에도, D. radiodurans는 [28]건조로부터 보호하기 위해 LEA 단백질(Late Embryogenesis Evulous [27]proteines) 발현을 사용합니다.

이러한 맥락에서, 주요 단백질 복합체인 S-레이어 데이노산틴 결합 복합체(SDBC)를 통한 D. radiodurans의 견고한 S-레이어도 극도의 방사선 저항에 크게 기여한다.실제로 이 S층은 전리방사선 피폭의 경우와 같이 전자파 응력에 대한 차폐 역할을 할 뿐만 아니라 결과적으로 발생할 수 있는 고온 [29][30]및 건조로부터 세포벽을 안정시킨다.

적용들

세포주기 연구를 위한 모델 시스템으로서의 데이노코커스 방사성듀란스

다이노코커스 방사성 요오드란스는 다양한 연구 분야에서 사용될 가능성이 큰 것으로 나타났다.D. radiodurans는 바이오메디메디에이션 응용을 위해 유전적으로 변형되었을 뿐만 아니라 생물의학 연구와 나노 기술에서도 중요한 역할을 할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.

생물매개란 미생물, 곰팡이, 식물 또는 그것들로부터 파생된 효소를 사용하여 오염물질에 의해 변화된 환경을 자연상태로 되돌리는 모든 과정을 말한다.토양, 퇴적물 및 지하수의 넓은 지역이 방사성핵종, 중금속 및 독성 용매로 오염되었다.중금속을 고정시켜 토양 오염을 제거할 수 있는 미생물이 있지만, 핵폐기물의 경우 이온화 방사선이 유용하게 쓰일 수 있는 미생물의 양을 제한한다.그런 의미에서 D.라디오두란은 그 특성으로 인해 원자력 폐기물 처리에 사용될 수 있다.다이노코커스 방사성 요오드란스는 이러한 방사능 환경에서 용제와 중금속을 소비하고 소화하도록 유전공학적으로 만들어졌다.수은환원효소 유전자는 대장균에서 데이노코쿠스로 복제돼 핵무기 [31]제조에서 발생하는 방사성 폐기물에 많이 발견되는 이온성 수은 잔류물을 해독했다.그 연구원들은 혼합된 방사성 폐기물에서 수은과 톨루엔을 모두 해독할 수 있는 데이노코커스 변종을 개발했다.또한 산용액 중 우라늄의 생체침강용 D.라디오두란 균주에는 살모넬라 장테리카, 혈청 티피,[32] 스핑고모나스[33] 알칼리 포스파타아제 유전자의 비특이산 포스파타아제를 코드하는 유전자가 도입되었다.

생물의학 분야에서는 데이노코커스 방사두란스를 노화와 암을 유발하는 과정을 연구하기 위한 모델로 사용할 수 있다.이러한 생리학적 변화의 주요 원인은 산화 스트레스로 인한 DNA, RNA, 단백질의 손상, 항산화 방어 기능의 약화, 그리고 ROS로 알려진 활성 산소 종에 의해 야기된 손상을 다루는 복구 메커니즘의 무능과 관련이 있습니다.이 정도까지는 산화손상에 대한 보호와 DNA 수복의 D. radiodurans 메커니즘이 노화와 [34]암을 예방하는 의료 절차를 개발하는 것을 목표로 하는 연구의 출발점이 될 수 있다.일부 조사 라인은 ROS 손상을 방지하기 위해 D. radiodurans 항산화 시스템을 인간 세포에 적용하는 것과 [35]종양 세포에서 방사선에 대한 내성의 개발에 초점을 맞추고 있다.

은과 금[37] 나노입자의 합성에[36] 대한 D.라디오두란의 나노기술적 응용도 기술되었다.이러한 나노 입자를 생산하기 위한 화학적, 물리적 방법은 비용이 많이 들고 엄청난 양의 오염 물질을 발생시키는 반면, 생합성 공정은 친환경적이고 저렴한 대안이다.이러한 나노 입자의 중요성은 병원성 박테리아, 오염 방지 효과, 종양 세포에 대한 세포 독성에 대한 활성을 보이는 것으로 입증되었기 때문에 의학적인 용도에 달려 있다.

게다가, 데이노코커스 방사성 요오드란스의 다른 드문 응용 분야도 있다.크레이그 벤터 연구소는 D. radiodurans의 빠른 DNA 복구 메커니즘에서 파생된 시스템을 사용하여 합성 DNA 조각들을 염색체에 조립하고, 그들이 마이코플라스마 [38]라보토리엄이라고 부르는 합성 유기체를 만드는 궁극적인 목표를 가지고 있다.2003년 미국 과학자들은 D.라디오듀란이 핵 재앙에서 살아남을 수 있는 정보 저장 수단으로 사용될 수 있다는 것을 증명했다.그들은 "It's a Small World"라는 노래를 150개의 염기쌍의 DNA 세그먼트로 번역하여 박테리아에 삽입한 후 100세대의 박테리아 세대 [39]후 오류 없이 회수할 수 있었다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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