더무스 아쿠아티쿠스

더무스 아쿠아티쿠스(Thermus aquaticus, 써무스 아쿠아티쿠스, 테르무스 아쿠아티쿠스)는 이상구균-서열균류(Deinococcus–Thermus) 그룹에 속하는 여러 호열성 세균 중 하나로 고온을 견딜 수 있는 세균종이다. 중합 효소 연쇄 반응 (PCR) DNA 증폭 기술에 사용되기 때문에 분자 생물학에서 가장 중요한 효소 중 하나인 내열성 효소 Taq DNA 중합효소의 근원입니다.

Thermus aquaticus
Thermus aquaticus.JPG
분류
역, 상계(Domain):
세균 (Bacteria)
문(Phylum):
강(Class):
목(Order):
과(Family):
속(Genus):
종(Species):
T. aquaticus
Binomial name
Thermus aquaticus

Brock & Freeze, 1969

역사편집

 
옐로 스톤 국립 공원의 조류(algae)와 세균(bacteria)가 있는 온천

1960년대에 온천에서 생물학적 유기체에 대한 연구가 시작되었을 때 과학자들은 고온성 박테리아의 수명이 약 55 °C (131 °F) 이상의 온도에서 지속될 수 없다고 생각했다.[1] 그러나 곧 다른 샘에있는 많은 박테리아가 생존 할뿐만 아니라 더 높은 온도에서도 번성한다는 사실이 밝혀졌다. 1969년 인디애나 대학의 토마스 블록(Thomas D. Brock)과 허드슨 프리즈(Hudson Freeze)는 더무스 아쿠아티쿠스(Thermus aquaticus)라고 명명한 새로운 호열성 박테리아 을 보고했다.[2] 이 박테리아는 옐로스톤 국립공원(Yellowstone National Park)의 머쉬룸 샘(Mushroom Spring)에서 처음 분리되었으며, 그 이후로 전 세계의 유사한 열 서식지에서 발견되었다.

생물학편집

더무스 아쿠아티쿠스(T. aquaticus) 는 65 ~ 70° C (149 ° F에서 158 ° F)에서 가장 잘 성장한다.  , 그러나 50° C에서 80 ° C (122 ° F에서 176 ° F)의 온도에서 생존 할 수 있다 . 세포외 및 세포 내 프로테아제 와 펩티다아제뿐만 아니라 세포막을 가로지르는 아미노산 및 올리고펩티드에 대한 수송 단백질에 의해 입증된 바와 같이 주로 환경에서 단백질을 청소한다. 이 박테리아는 화학합성생물(chemotroph)이다 - 그것은 화학 합성을 통해 식량을 얻는다. 그러나 이상적인 환경을 공유하는 광합성 시아노박테리아(cyanobacteria)의 온도 범위와 다소 겹치기 때문에 때때로 이웃과 공동으로 살아가며 광합성을 통해 성장 에너지를 얻는다. 더무스 아쿠아티쿠스(T. aquaticus)는 일반적으로 호기성 호흡을 하지만, 그 균주 중 하나인 Thermus aquaticus Y51MC23은 혐기성으로 자랄 수 있다.

더무스 아쿠아티쿠스(T. aquaticus)의 유전 물질은 하나의 염색체와 네 개의 플라스미드로 구성되어 있으며, 완전한 게놈 시퀀싱을 통해 수많은 유전자좌에서 CRISPR 유전자가 밝혀졌습니다.[3]

형태편집

더무스 아쿠아티쿠스(Thermus aquaticus)는 일반적으로 직경 0.5μm에서 0.8 μm의 원통형 모양이다. 짧은 막대 모양의 길이는 5μm에서 10 μm이다. 긴 필라멘트 모양은 길이가 크게 변하고 경우에 따라 200μm을 초과한다.  더무스 아쿠아티쿠스(T. aquaticus)는 다른 문화권에서 여러 가지 가능한 형태를 보여주었다. 막대 모양의 박테리아는 응집하는 경향이 있다. 여러 개체의 연합은 직경 10 μm에서 20 μm의 구형체의 형성으로 이어질 수 있으며, 이는 로턴드바디(rotund body)라고도 불린다.[2][4] 이 몸체는 이전에 생각했던 것처럼 세포 외피 또는 외막 구성 요소로 구성되지 않고 대신 개조된 펩티도글리칸 세포벽으로 만들어져있다. 더무스 아쿠아티쿠스(T. aquaticus)의 생존에있어 그들의 정확한 기능은 아직 알려지지 않았지만 일시적인 음식과 뉴클레오티드 저장을 포함하는 것으로 보거나, 콜로니의 부착과 조직화에 역할을 할 수도 있다는 이론이 있다.[3]

T. aquaticus의 효소편집

더무스 아쿠아티쿠스(T. aquaticus)는 다음과 같이 열 안정성 효소, 특히 Taq DNA 중합효소의 공급원으로 유명해졌다.

알돌라제(Aldolase)편집

세포 배양에서 성장할 수 있는 이 극한의 호열성 박테리아에 대한 연구는 처음에는 고온에서 단백질 효소(일반적으로 고온에서 비활성)가 호열균에서 기능할 수 있는 방법을 이해하려는 시도에 집중되었다. 1970년 프리즈(Freeze)와 브록(Brock)은 더무스 아쿠아티쿠스(T. aquaticus)의 열 안정성 알돌라제 효소를 설명하는 기사를 발표했다.[5]

RNA 중합 효소편집

1974 년 T. aquaticus 에서 분리 된 최초의 중합 효소는 전사 과정에 사용 된 DNA 의존성 RNA 중합 효소[6] 였습니다.

Taq I 제한 효소편집

대부분의 분자생물 학자들은 이 유기체로부터 유용한 제한효소를 분리했기 때문에 1970 년대 후반 또는 1980 년대 초에 더무스 아쿠아티쿠스(T. aquaticus)를 알게되었다.[7] T hermus aq uaticus 를 가리키는 용어 Taq의 사용은 현재 원래의 유기체 속과 종에서 파생된 Sal 및 Hin 같은 제한 효소 짧은 이름을 부여하는 관습에서 비롯되었다.

DNA 중합 효소 ( "Taq pol")편집

DNA 중합 효소는 1976년 더무스 아쿠아티쿠스(T. aquaticus)에서 처음 분리되었다.[8] 이 내열성 (최적 온도 72 ° C, 95 ° C에서도 변성되지 않음) DNA 중합 효소에 대해 발견 된 첫 번째 이점은 DNA 중합 효소가 다른 공급원에서 얻을 수 있는 것보다 더 순수한 형태 (다른 효소 오염 물질이 없음)로 분리 할 수 있다는것이다. 이후, 캐리멀리스와 다른 연구자는 세투스 사(Cetus Corporation)에서 중합 효소 연쇄 반응(PCR)의 짧은 DNA 세그먼트 증폭과정[9]에서 사이클 마다 DNA 변성(denaturation)단계 다음에 대장균 중합 효소를 추가 할 필요가 없게끔 하는 효소를 발견했다. 그 효소는 클론을 만들고, 시퀀스하고, 변형하여(짧은 'Stoffel 단편'생성) 상업적 판매를 위해 대량으로 생산되었다.[10] 1989 년 사이언스(Science) 잡지에서는 Taq 중합 효소를 최초의 "올해의 분자"로 선정했다.[11] 1993 년, 캐리 멀리스(Kary Mullis) 박사[12]는 PCR 작업으로 노벨상을 수상 했다.

기타 효소편집

더무스 아쿠아티쿠스(T. aquaticus)의 높은 최적 온도는 연구자들이 다른 효소가 활동을 잃는 조건에서 반응을 연구 할 수 있도록 해 주었다. 이 유기체에서 분리 된 다른 효소로는 DNA 리가 제(ligase), 알칼리성 포스파타제(alkaline phosphatase), NADH 산화 효소(NADH oxidase), 이소 시트레이트 탈수소 효소(isocitrate dehydrogenase), 아밀로말타(amylomaltase) 및 과당 1,6- 디포스페이트 의존성 L-락테이트 탈수소 효소가 있다.

논쟁편집

더무스 아쿠아티쿠스(T. aquaticus)의 효소를 상업적으로 사용하는 것은 논란의 여지가 없다. 브록 박사의 연구 후 유기체의 샘플은 공공 저장소인 ATCC(American Type Culture Collection)에 보관되었다. 세투스(Cetus)의 과학자들을 포함한 다른 과학자들은 그곳에서 세균을 얻는다. 1990년대에 Taq 중합 효소의 상업적 잠재력이 분명해짐에 따라[13] 미국 국립공원 관리청은 그 사용을 "위대한 Taq 강탈" ("Great Taq Rip-off") 이라고 표시했다.[14] 국립 공원에서 일하는 연구원들은 이제 나중에 이익의 일부를 공원 서비스로 돌려 보내는 "혜택 공유"계약에 서명해야한다.

  1. Thomas Brock's essay "Life at High Temperatures"
  2. Brock TD; Freeze H (1969). Thermus aquaticus, a Nonsporulating Extreme Thermophile”. 《J. Bacteriol.》 98 (1): 289–97. doi:10.1128/jb.98.1.289-297.1969. PMC 249935. PMID 5781580. 
  3. Brumm, Phillip J.; Monsma, Scott; Keough, Brendan; Jasinovica, Svetlana; Ferguson, Erin; Schoenfeld, Thomas; Lodes, Michael; Mead, David A. (2015). “Complete Genome Sequence of Thermus aquaticus Y51MC23”. 《PLOS One》 10 (10): e0138674. doi:10.1371/journal.pone.0138674. ISSN 1932-6203. PMC 4605624. PMID 26465632. 
  4. Brock TD; Edwards MR (1970). “Fine Structure of Thermus aquaticus, an Extreme Thermophile”. 《J. Bacteriol.》 104 (1): 509–517. doi:10.1128/jb.104.1.509-517.1970. PMC 248237. PMID 5473907. 
  5. Freeze H; Brock TD (1970). “Thermostable Aldolase from Thermus aquaticus”. 《J. Bacteriol.》 101 (2): 541–50. doi:10.1128/jb.101.2.541-550.1970. PMC 284939. PMID 4984076. 
  6. Air GM; Harris JI (1974). “DNA-Dependent RNA Polymerase From the Thermophilic Bacterium Thermus aquaticus”. 《FEBS Letters》 38 (3): 277–281. doi:10.1016/0014-5793(74)80072-4. PMID 4604362. 
  7. Sato, S (February 1978). “A single cleavage of Simian virus 40 (SV40) DNA by a site specific endonuclease from Thermus aquaticus, Taq I”. 《J. Biochem.》 83 (2): 633–5. doi:10.1093/oxfordjournals.jbchem.a131952. PMID 204628. 
  8. Chien, A; Edgar DB; Trela JM (1976년 9월 1일). “Deoxyribonucleic acid polymerase from the extreme thermophile Thermus aquaticus”. 《J. Bacteriol.》 127 (3): 1550–7. doi:10.1128/jb.127.3.1550-1557.1976. PMC 232952. PMID 8432. 
  9. Saiki, RK; 외. (1988). “Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase”. 《Science239 (4839): 487–91. Bibcode:1988Sci...239..487S. doi:10.1126/science.239.4839.487. PMID 2448875. 
  10. Lawyer FC; 외. (1993). “High-level expression, purification, and enzymatic characterization of full-length Thermus aquaticus DNA polymerase.”. 《PCR Methods Appl.》 2 (4): 275–87. doi:10.1101/gr.2.4.275. PMID 8324500. 
  11. Guyer RL; Koshland DE (December 1989). “The Molecule of the Year”. 《Science》 246 (4937): 1543–6. doi:10.1126/science.2688087. PMID 2688087. 
  12. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1993/mullis-lecture.html
  13. Fore J; Wiechers IR; Cook-Deegan R (2006). “The effects of business practices, licensing, and intellectual property on development and dissemination of the polymerase chain reaction: case study”. 《J Biomed Discov Collab》 1: 7. doi:10.1186/1747-5333-1-7. PMC 1523369. PMID 16817955.  — Detailed history of Cetus and the commercial aspects of PCR.
  14. Robbins J (2006년 11월 28일). “The Search for Private Profit in the Nation's Public Parks”. 《The New York Times》.