استفاده از داینوکوکوس رادیودورانس در اخترزیست شناسی

آیا به نقش باکتری‌ها درپژوهش مکان‌های فراتر از زمین فکر کرده‌اید؟ ما در این مقاله به بررسی نقش داینوکوکوس رادیودورانس می‌پردازیم.

باکتری “Deinococcus radiodurans”  قهرمان مقاومت در برابر تشعشعات شدید است که به دلیل محافظت بسیار کارآمد در برابر آسیب پروتئوم به حساب می‌آید. اما برای ژنوم این طور نیست. پروتئوم، به جای ژنوم، ممکن است هدف اصلی در مرگ سلولی ناشی از تشعشع باشد. داینوکوکوس رادیودورانس یک باکتری قوی است که می‌تواند از پروتئین‌های خود در برابر آسیب اکسیداتیو محافظت کند و در نتیجه فعالیت آنها را حفظ کند.

Deinococcus radiodurans (داینوکوکوس رادیودورانس)

باکتری Deinococcus radiodurans مقاومت قابل‌توجهی در برابر طیف وسیعی از آسیب‌های ناشی از پرتوهای یونیزان، خشک شدن، اشعه UV، عوامل اکسید کننده و جهش زاهای الکتروفیل از خود نشان می‌دهد. D. radiodurans به دلیل مقاومت شدید آن در برابر تشعشعات یونیزان شناخته شده است. اسن‌باکتری نه تنها می‌تواند در حضور پرتوهای مزمن (6 کیلوراد در ساعت) به‌طور مداوم رشد کند بلکه می‌تواند در مواجهه‌ی حاد با تشعشعات گاما‌ی بیش از 1500 کیلوراد بدون مرگ یا جهش القایی زنده بماند. این‌ ویژگی‌ها انگیزه‌ای برای تعیین توالی ژنوم داینوکوکوس رادیودورانس و توسعه مداوم استفاده از آن برای پاکسازی زیستی زباله‌های رادیواکتیو بود. اگرچه مشخص است که این‌فنوتیپ‌های مقاومت چندگانه از فرآیندهای کارآمد ترمیم DNA سرچشمه می‌گیرند، مکانیسم‌های زیربنایی این‌قابلیت‌های خارق‌العاده هنوز به خوبی شناخته نشده‌اند.

این‌باکتری‌ها علاوه بر اینکه در برابر تشعشعات مقاوم هستند، می‌توانند در خشکسالی‌های شدید، سرمای شدید و اسیدهای قوی نیز زنده بمانند.

تصویر1: نمایشی از داینوکوکوس

استحکام و سبک زندگی

Deinococcus radiodurans  یا به اختصار (Dra) از زمان کشف خود به‌عنوان یک آلاینده در قوطی‌های گوشت گاو و ذرت استریل شده با استفاده از تشعشع، زیست شناسان را با مقاومت فوق العاده‌ی خود در برابر تشعشعات یونیزان مجذوب کرده است. مطالعه‌ی زیست شناسی تشعشعی، چگونگی تغییر و نابودی تابش باعث تولد یک زیست شناسی مولکولی با محوریت DNA شد.

برخلاف انتروباکتری‌های معروف، داینوکوکوس رادیودورانس در طبیعت همه‌جا موجود است اما جمعیت آن در مقایسه با باکتری‌های دیگر که همان سوله‌های اکولوژیکی را اشغال می‌کنند، ناچیز است. دلیل احتمالی این است که سایر باکتری‌ها در طبیعت بیش از داینوکوکوس رادیودورانس رشد می‌کنند زیرا در محیط‌های آزمایشگاهی استاندارد آنها سریعتر از Deinococcus radiodurans رشد می‌کنند. به‌نظر می‌رسد که داینوکوکوس رادیودورانس روی کارایی بقا (استقامت) سرمایه گذاری انجام داده است درحالی که سایر باکتری‌ها روی کارایی رشد مثل تولید مثل سرمایه گذاری کرده‌اند. ماهیت چنین سرمایه گذاری در زیر مورد بحث قرار می‌گیرد.

تصویر2: داینوکوکوس

ماهیت Deinococcus radioduranse

 استحکام، ویژگی تک تک سلول‌ها است و به‌معنای برنده شدن در مسابقه، در سطح جمعیت ضعیف‌تر اما با رشد سریع‌تر، به‌ویژه در زیستگاه‌های طبیعی ملایم نیست. با این‌حال، در شرایط سخت زندگی، محیط‌های خشک مانند بیابان‌ها، جمعیت‌های خشک شده داینوکوکوس رادیودورانس با ظرفیت رشد مجدد پس از آب‌رسانی بر گونه‌های دارای انعطاف‌پذیری کمتر تسلط دارند.

ساختار و ویژگی Deinococcus radiodurans

سبک زندگی و متابولیسم داینوکوکوس رادیودورانس نشان می‌دهد که این‌باکتری یک جذب کننده‌ی مواد غذایی است که توسط یا تشکیل شده از موجودات دیگر (مرده) تولید می‌شود؛ مانند:

• اسیدهای آمینه؛
• پروتئین‌های تجزیه شده؛
• قندهای پلیمرهای تجزیه شده.

 با دفع آنزیم‌های هیدرولیتیک مختلف ترکیب ژنوم موزاییکی آن و تنوع ژنومی قابل توجه آن با یک پیش سازگاری تکامل یافته با محیط‌های متنوع پراکنده در میان جمعیت‌ها و گونه‌های دینوکوک سازگار است؛ از این بابت حضور انواع دینوکوک در همه زیست‌های مختلف مشابه است.

نقش باکتری داینوکوکوس در اخترزیست‌شناسی

همانطور که انسان‌ها به تسخیر قلمروهای منظومه‌ی شمسی ادامه می‌دهند، درک مکانیسم‌های مولکولی بقا در فضای بیرونی اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند. فضای بیرونی محیطی خصمانه است که هر شکلی از زندگی را محدود می‌کند. به‌طور قابل‌توجهی، نشان داده شده است که چند گونه‌ی میکروبی اکستروموفیل در برابر تأثیر شدید عوامل فضای بیرونی مقاومت می‌کنند . میکروارگانیسم‌ها در معرض محیط فضای بیرونی، با چندین پارامتر مخصوص به چالش کشیده می‌شوند:

تشعشعات خورشیدی و کیهانی کهکشانی،

خلاء شدید؛

نوسانات دما؛

خشک شدن؛

انجماد،؛

 ریزگرانش.

ایستگاه فضایی بین المللی “ISS” محیطی مناسب برای آزمایش‌های اختربیولوژیکی در مدار پایین زمین “LEO” فراهم می‌کند. مطالعات قبلی محدود تا حدی پاسخ‌های میکروبی را پس از قرار گرفتن در معرض خارج از ISS توصیف کردند. آزمایش‌های” EXPOSE”  که تأثیر قابل‌توجهی بر توسعه اختربیولوژی داشت، به این‌نتیجه رسیدند که نه تنها باکتری‌های تشکیل دهنده هاگ مانند “Bacillus subtilis” می‌توانند در یک سفر بین سیاره‌ای زنده بمانند، بلکه دانه‌ها، گلسنگ‌ها مانند  “Stichococcus sp”، “Trichoderma sp”  و “Acarospora sp”  و باکتری‌های گرمادوست غیراسپور ساز مانند” Deinococcus geothermalis”  می‌توانند زنده بمانند. با این‌حال، ما هنوز دانش صریح در مورد مکانیسم‌های مولکولی را که اجازه‌ی بقا و سازگاری در محیط فضای بیرونی را می‌دهد کامل نمی‌دانیم.

پارامترهای فضایی با تغییر انواع ویژگی‌های فیزیولوژیکی از جمله سرعت تکثیر، متابولیسم سلولی، تقسیم سلولی، تحرک سلولی، شدت، مقاومت دارویی و تولید بیوفیلم، میکروارگانیسم‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهند. این‌اختلالات فیزیولوژیکی ذکر شده، میکروارگانیسم‌های در معرض فضا، در سطح مولکولی بسیار ضعیف شناخته شده‌اند. به‌منظور دستیابی به درک دقیقی از مجموعه مولکولی تمام عملکردی میکروارگانیسم‌های در معرض فضای بیرونی، یک تحلیل جامع چند “omics”  از پاسخ‌های مولکولی آنها مطلوب است.

آزمایش Deinococcus radiodurans

باکتری گرم مثبت Deinococcus radiodurans دارای خواص قابل‌توجه بی‌شماری است که آن را به کاندیدای مناسبی برای آزمایش‌های درازمدت قرار گرفتن در معرض فضایی با محدوده پروژه مداری “Tanpopo”، تبدیل کرده است. آزمایش‌های اولیه با لامپ‌های تک رنگ در “UV 172”  نانومتر “UV 254” نانومتر، نشان داد که سلول‌های D. radiodurans باید قادر به مقاومت در برابر تشعشعات “UV” خورشیدی در ایستگاه فضایی بین‌المللی به مدت 1 سال به‌عنوان چند لایه با ضخامت بیش از 200 میکرومتر باشند. علاوه بر این، چندین تحقیق اولیه قبل از مأموریت فضایی تانپوپو پاسخ‌های مولکولی داینوکوکوس رادیودورانس را به پارامترهای شبیه‌سازی‌شده‌ی انتخاب‌شده‌ی محیط فضای بیرونی حل کرده‌اند.

قرار گرفتن در معرض شرایط شدید مانند تشعشعات یونیزان، اشعه ماوراء بنفش و خشک شدن باعث افزایش گونه‌های اکسیژن فعال می‌شود که به شدت به اسیدهای نوکلئیک آسیب می‌رسانند؛ با تشکیل دایمرهای بی پیریمیدین یا ایجاد شکستگی‌های دو رشته‌ای DNA قابل‌توجه است که تعداد تکه تکه شدن اسید نوکلئیک D. radiodurans و “E. coli” در مواجهه با مقدار یکسان تابش، تفاوتی با یکدیگر ندارند اما دوباره با دوز پرتوهای یونیزان که از قبل برای E.coli کشنده است، هنگامی که به مدت 3-4 ساعت در معرض آن قرار می‌گیرند، یک مکانیسم حفاظتی و ترمیم کارآمد در  اجازه داینوکوکوس رادیورانس می‌دهد تا قطعات اسید نوکلئیک موجود در داینوکوکوس رادیودورانس دوباره به هم متصل شوند. کروموزوم‌های کامل و سلول‌ها به رشد طبیعی باز می‌گردند اگرچه مکانیسم‌های ترمیم اسید نوکلئیک هیچ تفاوت عملکردی قابل‌توجهی را در E. coli نشان نمی‌دهد اما داینوکوکوس رادیودورانس در برابر تشعشعات یونیزان و 33 برابر در برابر اشعه UVC مقاوم‌تر است.

مکانیسم مقاومت  Deinococcus radiodurans

مکانیسم‌هایی که به داینوکوکوس رادیودورانس اجازه می‌دهند در چنین شرایطی زنده بمانند هنوز کاملاً کشف نشده‌اند. با این حال، داده‌های تحقیقاتی نشان می‌دهد که میزان آسیب پروتئین ناشی از تابش با پتانسیل بقای سلول‌ها مرتبط است که نشان می‌دهد D. radiodurans به احتمال زیاد بر محافظت از پروتئین‌ها در برابر آسیب اکسیداتیو تمرکز دارد. توضیحات احتمالی برای افزایش حفاظت از پروتئین، افزایش فعالیت حذف” ROS” و سم‌زدایی ROS از طریق کمپلکس‌های ارتوفسفات منگنز مولکول کوچک، و نسبت منگنز به آهن درون سلولی بالاتر نسبت به میکروارگانیسم‌های حساس به تشعشع است.

اگرچه این‌سازگاری‌های فیزیولوژیکی و متابولیکی برای داینوکوکوس رادیودورانس منحصر به فرد است، توضیح بازسازی ژنوم بدون در نظر گرفتن مسیرهای ترمیم DNA  دشوار است.به طور کلی در پروکاریوت‌ها چندین سیستم ترمیم DNA وجود دارد، مانند فعال سازی نوری، ترمیم برش نوکلئوتیدی، ترمیم برش پایه، ترمیم عدم تطابق، ترمیم شکستن دو رشته، ترمیم جهت همسانی و ترمیم اندونوکلئاز آسیب اشعه ماوراء بنفش، که هرکدام به‌نوع خاصی از آسیب اختصاص دارند.

ترمیم برش نوکلئوتیدی از مکانیسم‌های ترمیم دیگر متمایز است زیرا می‌تواند طیف وسیعی از آسیب‌های DNA غیرمرتبط ساختاری را تشخیص دهد. این‌پروتئین از چهار پروتئین حیاتی، “UvrA”، UvrB””، “UvrC” و” UvrD” تشکیل شده است که در ارتباط با یکدیگر عملکرد موثر ترمیم DNA را تنظیم می‌کنند. پروتئین‌های خوشه” Uvr” با قرار گرفتن در معرض D. radiodurans در چندین شرایط مرتبط با فضا “UVC” و خلاء تحریک می‌شوند؛ البته پاسخ به این‌عوامل یک فرآیند چندلایه است که در آن بسیاری از اجزای مولکولی دیگر درگیر هستند .

در این مطالعه، سلول‌های دهیدراته داینوکوکوس رادیودورانس به مدت 1 سال در خارج از ایستگاه فضایی بین المللی در چارچوب ماموریت فضایی Tanpopo در معرض شرایط “LEO” قرار گرفتند. پس از قرار گرفتن در معرض و بازیابی متعاقب آن در محیط پیچیده، متابولیت‌ها، پروتئین‌ها و “mRNA” ‌ها از سلول‌های در معرض فضا استخراج شدند، با تکنیک‌های یکپارچه‌ی omics‌ تجزیه و تحلیل شدند و با کنترل‌های زمینی مقایسه شدند. نتایج پاسخ مولکولی اولیه D. radiodurans را پس از قرار گرفتن در معرض LEO نشان می‌دهد.

نتایج آزمایش

سلول‌های D. radiodurans کم آب شده از قرار گرفتن در مدار پایین زمین به مدت 1 سال زنده ماندند. با این حال، نرخ بقای کاهش یافته در مقایسه با کنترل‌های زمینی که بر روی زمین در شرایط کم آبی در طول زمان قرارگرفتن در معرض شرایط نگهداری می‌شدند، مشاهده شد. میزان بقا توسط واحدهای تشکیل دهنده کلنی به صورت “N/N 0” محاسبه شد، که در آن N تعداد “CFU” در میلی لیتر پس از 1 سال و “N 0” تعداد CFU در میلی لیتر ذخیره قبل از کم آبی است. از آنجایی که بقای سلول‌های بازگردانده شده در فضا با موفقیت تایید شد، زمان بهبودی 2 ساعت برای مشاهده پاسخ اولیه پس از قرار گرفتن در معرض شرایط سخت LEO انتخاب شد. زمان بازیابی بر اساس سلول‌های خشک شده و بدون مواجهه انتخاب شد که قبلاً بین سه تا شش ساعت بهبودی رشد داشتند.

تصویر3: تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری (SEM و TEM) از سلول‌های D. radiodurans پس از قرار گرفتن در معرض LEO که در محیط پیچیده بازیابی شدند.

نویسنده: ستاره رهبر

منابع:

https: //microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-020-00927-5

https: //medienportal.univie.ac.at/uniview/forschung/detailansicht/artikel/microbes-in-outer-space/