Saccharolobus solfataricus

Thermophile Reverse Gyrase

Die Stabilisierung der DNA-Struktur gegen Denaturierung ist in hyperthermophilen und thermophilen Archaeen und Bakterien auf ein besonderes hitzebeständiges (thermostabiles) Enzym, die Reverse Gyrase, zurückzuführen. In S. solfataricus gibt es zwei Gene, die jeweils für eine Reverse Gyrase kodieren.^[15] Es handelt sich dabei um eine atypische DNA-Topoisomerase, deren Hauptaktivität in der Herstellung von positivem Supercoiling^{[A. 1]} in einer geschlossenen zirkulären DNA besteht. Positive Supercoils sind wichtig, um Fehlbildungen und -faltungen (wie „offener Komplexe“, open complexes) zu verhindern. Reverse Gyrasen bestehen aus zwei Domänen: die erste ist eine Helikase und die zweite die Topoisomerase I. Eine mögliche Rolle der Reversen Gyrase könnte auch darin bestehen, dass sie mit den positiven Supercoils chromatinartige Strukturen aufbaut.^[16] 1997 entdeckten Wissenschaftler ein weiteres wichtiges Merkmal der nahe verwandten Spezies Saccharolobus shibatae (früher ebenfalls der Gattung Sulfolobus zugeordnet): eine Topoisomerase vom Typ II, genannt TopoVI, deren Untereinheit A homolog ist zum meiotischen Rekombinationsfaktor Spo11, der als Initiator meiotischer Doppelstrangbrüche bei allen Eukaryonten eine wichtige Rolle spielt, indem er die meiotische Rekombination einleitet.^[17][18][19] S. solfataricus selbst besitzt aus drei Topoisomerasen vom Typ I: TopA und zwei Reverse Gyrasen, TopR1 und TopR2; sowie eine Topoisomerase vom Typ II, TopoVI.^[20]

DNA-bindende Proteine

DNA-bindende Proteine sind Proteine, die an die DNA binden. Bei Organismen des Phylums Thermoproteota gibt es drei Proteine, die an die Nebenrille von DNA-bindenden Histonen binden, und die nach dem Übersetzungsprozess verändert werden: Alba, Cren7 und Sso7d. Diese Histone sind klein und wurden in mehreren Stämmen von Sulfolobus/Saccharolobus/Sulfurisphaera gefunden, nicht aber in anderen Genomen. Chromatinproteine wie die Histone machen bei diesen Organismen 1–5 % des gesamten Genoms aus; sie können sowohl strukturelle als auch regulatorische Funktionen haben und ähneln aufgrund ihres Einflusses auf Genom, Expression, Stabilität und epigenetische Prozesse den menschlichen HMG-Box-Proteinen (englisch high mobility group box).^[21][22] Sie können auch bei Arten ohne Histone wie diese acetyliert und methyliert werden.^{[23][24][25][26]} Stämme von S. solfataricus weisen verschiedene besondere DNA-bindende Proteine auf, wie die der Proteinfamilie Sso7d. Diese stabilisieren die DNA-Struktur, verhindern die Denaturierung bei hohen Temperaturen und fördern so den Erhalt der primär durch die Wasserstoffbrückenbindungen vermittelten DNA-Doppelhelix-Struktur auch oberhalb des „Schmelzpunkts“ des DNA-Doppelstrangs, bei dem normalerweise die Auflösung der Doppelhelix beginnt.^[27] Der Hauptbestandteil des Chromatins dieser Archaeen ist das Alba genannte Protein der Sac10b-Familie,^[28][29][30] mit ihren kleinen, basischen und dimeren nukleinsäurebindenden Proteinen. Dabei ist Alba in den meisten sequenzierten Archaeen-Genomen konserviert.^[30][31] Der Acetylierungszustand^{[A. 2]} von Alba beeinflusst den Zugang zum DNA-Promotor und damit die Transkription,^{[A. 3]} während der Methylierungszustand eines anderen Chromatinproteins, Sso7D, durch die Temperatur verändert wird, bei der die Kultur gehalten wird.^[32][33]

Bereits die Arbeiten der Gruppe von Wolfram Zillig lieferten frühe Beweise für die eukaryotischen Merkmale der Transkription in diesen Archaeen, was S. solfataricus seitdem zu einem idealen Modellsystem für Transkriptionsstudien gemacht hat. Neuere Studien an Arten von Saccharolobus, Sulfolobus und anderen Archaeen konzentrieren sich hauptsächlich auf die Zusammensetzung, Funktion und Regulierung der Transkriptionsmaschinerie, sowie auf grundlegende sowohl bei Eukaryonten als auch bei Archaeen konservierten Aspekten dieses Prozesses.^[34]

Ferredoxin

Es wird vermutet, dass Ferredoxin bei S. solfataricus der wichtigste metabolische Elektronenträger ist. Dies würde im Gegensatz stehen zu den meisten Arten innerhalb der Domänen der Bakterien und Eukaryoten, die im Allgemeinen auf Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Wasserstoff (NADH) als Hauptelektronenüberträger angewiesen sind. S. solfataricus weist darüber hinaus starke eukaryotische Merkmale auf, gepaart mit vielen ganz archaeenspezifischen Fähigkeiten. Diese Befunde sind Konsequenz ihrer vielfältigen Methoden von DNA-Mechanismen, Zellzyklen und Transitionsmechanismen. Insgesamt zeigen die Studien exemplarisch die Unterschiede zwischen Thermoproteota wie S. solfataricus und Methanobacteriati („Euryarchaeida“).^[13][42]

Habitat

S. solfataricus ist ein extrem thermophiler Vertreter der Archaeen. Diese Spezies findet ähnlich wie andere Mitglieder ihrer eigenen Gattung sowie der verwandten Gattung Sulfolobus optimale Wachstumsbedingungen in Gebieten mit starker vulkanischer Aktivität, hohen Temperaturen und einem sehr sauren pH-Wert,^[43] wie sie typisch sind Geysire oder Thermalquellen. Zu den Ländern, in denen diese Mikroorganismen gefunden wurden, gehören für vulkanische Phänomene „berüchtigte“ Gebiete in den USA (Yellowstone-Nationalpark),^[44] Island und Italien (Phlegräische Felder). Im Jahr 2007 wurden Sulfolobaceae-Gensequenzen aus Neuseeland (Nordinsel: Waiotapu) gefunden.^[45] Eine von einem indonesischen Wissenschaftlerteam durchgeführte Studie hat 2009 auch das Vorhandensein Gemeinschaft mit thermoacidophilen Thermoproteota (früher „Crenarchaeota“) in West-Java nachgewiesen und bestätigt, dass hohe Temperaturen, ein niedriger pH-Wert und das Vorhandensein von Schwefel notwendige Bedingungen für das Wachstum dieser Mikroben sind.^[46] Eine weitere indonesische Studie bestätigte 2012 das Vorkommen von Sulfolobales bzw. Sulfolobaceae.^[47]

Bodenversauerung

S. solfataricus ist gemäß seiner Stoffwechselstrategie in der Lage, Schwefel zu oxidieren. Eines der Produkte dieser Reaktionen ist H⁺, was eine langsame Versauerung der Umgebung zur Folge hat. Die Versauerung des Bodens nimmt dort zu, wo Schadstoffemissionen aus der Industrie vorhanden sind. Dieser Prozess verringert die Zahl der an der Zersetzung beteiligten heterotrophen Bakterien, die für den Prozess der Wiederverwertung organischer Stoffe von grundlegender Bedeutung sind und verlangsamt so letztlich die Düngung des Bodens mit diesen Zersetzungsprodukten.^[48]

β-Galaktosidase

Das thermostabile Enzym β-Galactosidase wurde aus dem extrem thermophilen Stamm S. solfataricus MT-4, isoliert. Dieses Enzym wird in vielen industriellen Prozessen mit laktosehaltigen Flüssigkeiten verwendet, zwecks deren Reinigung und der Charakterisierung ihrer physikochemischen Eigenschaften.^[52]

Proteasen

Die Industrie ist sowohl an stabilen Proteasen als auch an vielen verschiedenen Sulfolobus- (bzw. Sulfolobaceae-)Proteasen interessiert, die untersucht wurden.^{[53][A. 5]}

Bereits 1989 wurde eine aktive Aminopeptidase, die mit dem Chaperonin von S. solfataricus MT4 assoziiert ist, beschrieben.^[54] Sommaruga et al. verbesserten 2014 die Stabilität und Reaktionsausbeute der gut charakterisierten Carboxypeptidase aus S. solfataricus MT4 durch magnetische Nanopartikel, die das Enzym immobilisierten.^[55]

Lipasen und andere Esterasen

Lipasen (Lipide auflösende, d. h. lipolytische Enzyme) sind spezielle fettspaltende Esterasen. Eine neues thermostabile extrazelluläre Lipase, die Serin-Arylesterase,^[56] Sie hat eine großen Wirksamkeit bei der Hydrolyse von Organophosphaten und wurde ursprünglich bei S. solfataricus P1 entdeckt.^[57]

Chaperonine

Bei Escherichia coli wurde ein einziges Hitzeschockprotein (englisch heat shock protein, HSP, auch warm stun protein), HSP20 von S. solfataricus P2 zur effektiven Verbesserung der Temperaturtoleranz (gegen einen Temperaturschock bei 50,4 °C) eingesetzt.^[58]

Da das Chaperonin Ssocpn (920 kDa) von S. solfataricus enthält Adenosintriphosphat (ATP), K⁺ und Mg²⁺. Es benötigt für seine volle Aktivität keine weiteren Proteinpartner und unterstützt in vitro die Faltung mit geringer Substratspezifität, um dynamische Proteine aus denaturierten Materialien zurückzugewinnen. Dies ermöglicht die Konstruktion eines Reaktors auf Chaperoninbasis, der aus denaturiertem Material gefaltete und aktive Proteine erzeugt.^[59]

Liposomen

Aufgrund ihres Tetraether-Lipidmaterials ist die Membran von extrem thermophilen Archaeen in ihrer Zusammensetzung einzigartig. Diese Archaeen-Lipide sind vielversprechende Ausgangsstoffe für die Erzeugung von Liposomen mit außergewöhnlicher Temperatur- und pH-Stabilität, die zudem eine hohe sowie Dichtigkeit gegen das Austreten von gelösten Stoffen haben. Solche „Archaeosomen“ sind mögliche Instrumente für die Verabreichung von Medikamenten, Impfstoffen und Genen.^[60]