Deinococcus radiodurans -Deinococcus radiodurans

Deinococcus radiodurans
Deinococcus radiodurans.jpg
Uma tétrade de D. radiodurans
Classificação científica
Domínio:
Bactérias
Reino:
Eubacteria
Filo:
Deinococcus-Thermus
Classe:
Deinococci
Pedido:
Deinococcales
Família:
Deinococcaceae
Gênero:
Deinococcus
Espécies:
D. radiodurans
Nome binomial
Deinococcus radiodurans
Brooks & Murray, 1981

Deinococcus radiodurans é uma bactéria extremofílica e um dos organismos mais resistentes à radiação conhecidos. Ele pode sobreviver ao frio, desidratação , vácuo e ácido e, portanto, é conhecido como um poliextremófilo . Ela foi listada como a bactéria mais resistente do mundo no Guinness Book Of World Records .

Nome e classificação

O nome Deinococcus radiodurans deriva do grego antigo δεινός ( deinos ) e κόκκος ( kokkos ) que significa "grão / baga terrível" e do latim radius e durare , que significa "radiação sobrevivente". A espécie era anteriormente chamada de Micrococcus radiodurans . Devido à sua robustez, foi apelidado de “Conan, o Bactéria”, em referência a Conan, o Bárbaro .

Inicialmente, foi colocado no gênero Micrococcus . Após avaliação das sequências de RNA ribossomal e outras evidências, foi colocado em seu próprio gênero Deinococcus , que é intimamente relacionado ao gênero Thermus . O termo " grupo Deinococcus-Thermus " às vezes é usado para se referir aos membros de Deinococcus e Thermus .

Deinococcus é um gênero de três na ordem Deinococcales . D. radiodurans é a espécie-tipo desse gênero e o membro mais bem estudado. Todos os membros conhecidos do gênero são radiorresistentes: D. proteolyticus , D. radiopugnans , D. radiophilus , D. grandis , D. indicus , D. frigens , D. saxicola , D. marmoris , D. deserti , D. geothermalis , e D. murrayi ; os dois últimos também são termofílicos .

História

D. radiodurans foi descoberto em 1956 por Arthur Anderson na Oregon Agricultural Experiment Station em Corvallis, Oregon . Experimentos estavam sendo realizados para determinar se alimentos enlatados poderiam ser esterilizados com altas doses de radiação gama . Uma lata de carne foi exposta a uma dose de radiação que se pensava matar todas as formas de vida conhecidas, mas a carne posteriormente estragou e D. radiodurans foi isolado.

A seqüência completa de DNA de D. radiodurans foi publicada em 1999 pelo The Institute for Genomic Research . Uma anotação detalhada e análise do genoma apareceu em 2001. A cepa sequenciada foi ATCC BAA-816.

Deinococcus radiodurans tem uma qualidade única em que pode reparar DNA de fita simples e dupla . Quando o dano é aparente para a célula, ele traz o DNA danificado para uma estrutura semelhante a um anel compartimental, onde o DNA é reparado, e então é capaz de fundir os nucleoides de fora do compartimento com o DNA danificado.

Em agosto de 2020, cientistas relataram que bactérias da Terra, principalmente Deinococcus radiodurans , sobreviveram por três anos no espaço sideral , com base em estudos realizados na Estação Espacial Internacional (ISS). Essas descobertas apóiam a noção de panspermia , a hipótese de que a vida existe em todo o Universo , distribuída de várias maneiras, incluindo poeira espacial , meteoróides , asteróides , cometas , planetoides ou espaçonaves contaminadas . Em outubro de 2020, estudos relacionados após um ano de exposição fora da ISS foram relatados.

Descrição

D. radiodurans é uma bactéria esférica bastante grande, com um diâmetro de 1,5 a 3,5 μm . Quatro células normalmente se unem, formando uma tétrade. As bactérias são facilmente cultivadas e não parecem causar doenças. Sob condições de crescimento controlado, células de dímero, tetrâmero e até mesmo morfologias de multímero podem ser obtidas. As colônias são lisas, convexas e de cor rosa a vermelha. As células são coradas como Gram positivas , embora seu envelope celular seja incomum e faça lembrar as paredes celulares das bactérias Gram negativas .

D. radiodurans não forma endosporos e não é móvel. É um quimioorganoheterotrófico aeróbio obrigatório , ou seja, utiliza o oxigênio para derivar energia de compostos orgânicos em seu ambiente. Geralmente é encontrado em habitats ricos em materiais orgânicos, como esgoto, carne, fezes ou solo, mas também foi isolado de instrumentos médicos, poeira ambiente, tecidos e alimentos secos.

É extremamente resistente à radiação ionizante , luz ultravioleta , dessecação e agentes oxidantes e eletrofílicos .

Seu genoma consiste em dois cromossomos circulares , um com 2,65 milhões de pares de bases e o outro com 412.000 pares de bases, além de um megaplasmídeo de 177.000 pares de base e um plasmídeo de 46.000 pares de base. Possui aproximadamente 3.195 genes . Em sua fase estacionária, cada célula bacteriana contém quatro cópias desse genoma; quando se multiplica rapidamente, cada bactéria contém 8-10 cópias do genoma.

Resistência à radiação ionizante

D. radiodurans é capaz de suportar uma dose aguda de 5.000  greys (Gy), ou 500.000 rad, de radiação ionizante quase sem perda de viabilidade, e uma dose aguda de 15.000 Gy com 37% de viabilidade. Estima-se que uma dose de 5.000 Gy introduza várias centenas de quebras de fita dupla (DSBs) no DNA do organismo (~ 0,005 DSB / Gy / Mbp (genoma haplóide)). Para efeito de comparação, uma radiografia de tórax ou missão Apollo envolve cerca de 1 mGy, 5 Gy pode matar um humano, 200-800 Gy matará E. coli e mais de 4.000 Gy matará o tardígrado resistente à radiação .

Várias bactérias de radiorresistência comparável são agora conhecidas, incluindo algumas espécies do gênero Chroococcidiopsis (filo cianobactéria ) e algumas espécies de Rubrobacter (filo actinobactéria ); entre as archaea , a espécie Thermococcus gammatolerans apresenta radiorresistência comparável. Deinococcus radiodurans também tem uma capacidade única de reparar DNA danificado. Ele isola os segmentos danificados em uma área controlada e os repara. Essas bactérias também podem reparar muitos pequenos fragmentos de um cromossomo inteiro.

Mecanismos de resistência à radiação ionizante

Deinococcus realiza sua resistência à radiação por ter múltiplas cópias de seu genoma e mecanismos rápidos de reparo de DNA . Geralmente repara quebras em seus cromossomos dentro de 12–24 horas por um processo de 2 etapas. Primeiro, D. radiodurans reconecta alguns fragmentos de cromossomos por um processo chamado recozimento de fita simples . Na segunda etapa, várias proteínas remendam quebras de fita dupla por meio de recombinação homóloga . Este processo não introduz mais mutações do que uma rodada normal de replicação faria. Teoricamente, Deinococcus deveria ter pouco acúmulo de mutação.

A análise de microscopia eletrônica de varredura mostrou que o DNA em D. radiodurans é organizado em toróides compactados , o que pode facilitar o reparo do DNA.

Uma equipe de pesquisadores croatas e franceses liderada por Miroslav Radman bombardeou D. radiodurans para estudar o mecanismo de reparo do DNA. Pelo menos duas cópias do genoma, com quebras aleatórias de DNA, podem formar fragmentos de DNA por meio de anelamento . Fragmentos parcialmente sobrepostos são então usados ​​para a síntese de regiões homólogas através de uma alça D móvel que pode continuar a extensão até que os fragmentos encontrem fitas parceiras complementares . Na etapa final, ocorre o cruzamento por meio de recombinação homóloga dependente de RecA .

D. radiodurans é capaz de transformação genética, um processo pelo qual o DNA derivado de uma célula pode ser absorvido por outra célula e integrado no genoma receptor por recombinação homóloga. Quando danos no DNA (por exemplo, dímeros de pirimidina) são introduzidos no DNA do doador por irradiação UV, as células receptoras reparam com eficiência os danos no DNA em transformação, como fazem no DNA celular, quando as próprias células são irradiadas.

Michael Daly sugeriu que a bactéria usa complexos de manganês como antioxidantes para se proteger contra os danos da radiação. Em 2007, sua equipe mostrou que altos níveis intracelulares de manganês (II) em D. radiodurans protegem as proteínas de serem oxidadas por radiação e propuseram a ideia de que "a proteína, ao invés do DNA, é o principal alvo da ação biológica de [ionização radiação] em bactérias sensíveis, e a resistência extrema em bactérias que acumulam Mn é baseada na proteção de proteínas ". Em 2016, Massimiliano Peana et al . relataram um estudo espectroscópico por meio de técnicas de NMR, EPR e ESI-MS na interação Mn (II) com dois peptídeos, DP1 (DEHGTAVMLK) e DP2 (THMVLAKGED), cuja composição de aminoácidos foi selecionada para incluir a maioria dos aminoácidos mais prevalentes ácidos presentes em um extrato livre de células da bactéria Deinococcus radiodurans que contém componentes capazes de conferir extrema resistência à radiação ionizante. Em 2018, M. Peana e C. Chasapis relataram por uma abordagem combinada de estratégias de bioinformática com base em dados estruturais e anotação, as proteínas de ligação Mn (II) codificadas pelo genoma de DR e propuseram um modelo para interação de manganês com rede de proteoma DR envolvidos na resposta e defesa de ROS.

Uma equipe de cientistas russos e americanos propôs que a radiorresistência de D. radiodurans tinha origem marciana . Eles sugeriram que a evolução do microorganismo poderia ter ocorrido na superfície marciana até que ele foi entregue à Terra em um meteorito . No entanto, além de sua resistência à radiação, Deinococcus é genética e bioquimicamente muito semelhante a outras formas de vida terrestre, argumentando contra uma origem extraterrestre não comum a eles.

Em 2009, foi relatado que o óxido nítrico desempenha um papel importante na recuperação da bactéria da exposição à radiação: o gás é necessário para a divisão e proliferação depois que o dano ao DNA foi reparado. Foi descrito um gene que aumenta a produção de óxido nítrico após a radiação ultravioleta e, na ausência desse gene, a bactéria ainda era capaz de reparar o dano ao DNA, mas não crescia.

Evolução da resistência à radiação ionizante

Uma questão persistente em relação ao D. radiodurans é como esse alto grau de radiorresistência poderia evoluir. Os níveis de radiação de fundo natural são muito baixos - na maioria dos lugares, na ordem de 0,4 mGy por ano, e a maior radiação de fundo conhecida, perto de Ramsar , o Irã é de apenas 260 mGy por ano. Com os níveis de radiação de fundo que ocorrem naturalmente tão baixos, os organismos que desenvolvem mecanismos especificamente para evitar os efeitos da alta radiação são improváveis.

Valerie Mattimore, da Louisiana State University , sugeriu que a radiorresistência de D. radiodurans é simplesmente um efeito colateral de um mecanismo para lidar com a dessecação celular prolongada (secura). Para apoiar essa hipótese, ela realizou um experimento no qual demonstrou que cepas mutantes de D. radiodurans que são altamente suscetíveis a danos por radiação ionizante também são altamente suscetíveis a danos por dessecação prolongada, enquanto a cepa de tipo selvagem é resistente a ambos. Além do reparo do DNA, D. radiodurans usa a expressão de proteínas LEA ( Late Embryogenesis Abundant protein ) para proteger contra a dessecação.

Nesse contexto, também a robusta camada S de D. radiodurans por meio de seu principal complexo protéico, o Complexo de Ligação à Deinoxantina (SDBC), da camada S, contribui fortemente para sua radiorresistência extrema. Na verdade, esta camada S atua como um escudo contra o estresse eletromagnético, como no caso da exposição à radiação ionizante, mas também estabiliza a parede celular contra possíveis altas temperaturas e dessecação consequentes.

Formulários

Deinococcus radiodurans como sistema modelo para estudar o ciclo celular

Deinococcus radiodurans tem se mostrado um grande potencial para ser usado em diferentes campos de investigação. O D. radiodurans não foi apenas geneticamente modificado para aplicações de biorremediação , mas também foi descoberto que ele poderia desempenhar um papel importante na pesquisa biomédica e na nanotecnologia .

Biorremediação refere-se a qualquer processo que utiliza microrganismos, fungos, plantas ou as enzimas derivadas deles para devolver um ambiente alterado por contaminantes à sua condição natural. Grandes áreas de solos, sedimentos e águas subterrâneas estão contaminadas com radionuclídeos , metais pesados e solventes tóxicos. Existem microrganismos que conseguem descontaminar os solos com metais pesados imobilizando-os, mas no caso dos resíduos nucleares, a radiação ionizante limita a quantidade de microrganismos que podem ser úteis. Nesse sentido, D. radiodurans , por suas características, pode ser utilizado para o tratamento de resíduos de energia nuclear . Deinococcus radiodurans foi geneticamente modificado para consumir e digerir solventes e metais pesados ​​nesses ambientes radioativos. O gene da redutase mercúrica foi clonado de Escherichia coli em Deinococcus para desintoxicar o resíduo de mercúrio iônico freqüentemente encontrado em rejeitos radioativos gerados na fabricação de armas nucleares . Esses pesquisadores desenvolveram uma cepa de Deinococcus que pode desintoxicar mercúrio e tolueno em resíduos radioativos mistos. Além disso, um gene que codifica uma fosfatase ácida não específica de Salmonella enterica , serovar Typhi, e o gene da fosfatase alcalina de Sphingomonas foram introduzidos em cepas de D. radiodurans para a bioprecipitação de urânio em soluções ácidas e alcalinas, respectivamente.

Na área biomédica, o Deinococcus radiodurans pode ser usado como modelo para estudar os processos que levam ao envelhecimento e ao câncer . As principais causas dessas alterações fisiológicas estão relacionadas aos danos ao DNA , RNA e proteínas decorrentes do estresse oxidativo , ao enfraquecimento da defesa antioxidante e à incapacidade dos mecanismos de reparo em lidar com os danos originados por espécies reativas de oxigênio , também conhecidas como ROS. Nesse sentido, os mecanismos de proteção do D. radiodurans contra o dano oxidativo e de reparação do DNA poderiam ser os pontos de partida em pesquisas destinadas a desenvolver procedimentos médicos para prevenir o envelhecimento e o câncer . Algumas linhas de investigação estão focadas na aplicação de sistemas antioxidantes de D. radiodurans em células humanas para prevenir danos às ROS e no estudo do desenvolvimento de resistência à radiação em células tumorais.

Uma aplicação nanotecnológica de D. radiodurans na síntese de nanopartículas de prata e ouro também foi descrita. Enquanto os métodos químicos e físicos para produzir essas nanopartículas são caros e geram uma grande quantidade de poluentes , os processos biossintéticos representam uma alternativa ecologicamente correta e mais barata. A importância dessas nanopartículas depende de suas aplicações médicas, uma vez que foi demonstrado que elas exibem atividade contra bactérias patogênicas, efeitos anti-incrustantes e citotoxicidade para células tumorais.

Além disso, existem outras aplicações incomuns de Deinococcus radiodurans . O Craig Venter Institute usou um sistema derivado dos mecanismos de reparo rápido de DNA de D. radiodurans para reunir fragmentos de DNA sintético em cromossomos , com o objetivo final de produzir um organismo sintético que eles chamam de Mycoplasma laboratorium . Em 2003, cientistas americanos demonstraram que o D. radiodurans pode ser usado como meio de armazenamento de informações que pode sobreviver a uma catástrofe nuclear. Eles traduziram a canção " It's a Small World " em uma série de segmentos de DNA de 150 pares de bases , inseriram-nos na bactéria e foram capazes de recuperá-los sem erros 100 gerações bacterianas depois.

Veja também

Referências

links externos