Thermus aquaticus: caractéristiques, cycle de vie, applications

Thermus aquaticus est une bactérie thermophile découverte par Thomas Brock en 1967 et située à Phylum Deinococcus-Thermus. C'est un microorganisme gram-négatif, hétérotrophe et aérobie qui possède la stabilité thermique en tant que propriété intrinsèque.

Il est obtenu à partir de diverses sources thermiques entre 50 ° C et 80 ° C et un pH de 6, 0 à 10, 5 dans le parc national de Yellowstone et en Californie, en Amérique du Nord. Il a également été isolé des habitats thermaux artificiels.

C'est une source d'enzymes résistantes à la chaleur, qui survivent aux différents cycles de dénaturation. Dans ce contexte, les protéines et les enzymes présentent un intérêt particulier pour l’industrie de la biotechnologie.

C'est ainsi que les enzymes qui le composent sont utilisées en génie génétique, dans la réaction en chaîne de la polymérase (PCR) et comme outil de recherche scientifique et médico-légale (Williams et Sharp, 1995).

Caractéristiques générales

C'est gram négatif

Le Thermus aquaticus, soumis au processus de coloration de Gram, acquiert une coloration fuchsia. Cela est dû au fait que la paroi du peptidoglycane est extrêmement mince pour que les particules de colorant ne restent pas piégées dans celle-ci.

Habitat

Cette bactérie est conçue pour résister à des températures extrêmement élevées. Cela implique que son habitat naturel est constitué de sites sur la planète où les températures dépassent 50 ° C.

En ce sens, cette bactérie a été isolée des geysers et est la plus courante dans le parc national de Yellowstone. des sources chaudes du monde entier, ainsi que des environnements artificiels d’eau chaude.

C'est aérobie

Cela signifie que le Thermus aquaticus est une bactérie et doit être dans des environnements qui fournissent de l'oxygène pour mener à bien leurs processus métaboliques.

Il est thermophile

C'est l'une des caractéristiques les plus représentatives du Thermus aquaticus . Cette bactérie a été isolée de sites où les températures sont extrêmement élevées.

Le Thermus aquaticus est une bactérie très spéciale et résistante, car à des températures aussi élevées que celles qu’il supporte, les protéines de la plupart des êtres vivants sont dénaturées et ne remplissent pas leurs fonctions de manière irréversible.

Cette bactérie a une température de croissance allant de 40 ° C à 79 ° C, avec une température de croissance optimale de 70 ° C.

Il est hétérotrophe

Comme tout organisme hétérotrophe, cette bactérie nécessite le développement de composés organiques présents dans l'environnement. Les principales sources de matière organique sont les bactéries et les algues présentes dans les environs, ainsi que dans le sol environnant.

Il se développe dans des environnements légèrement alcalins

Le pH optimal auquel le Thermus aquaticus peut se développer sans les protéines qui lui font perdre sa fonction est compris entre 7, 5 et 8. Il convient de rappeler que sur l'échelle du pH, le 7 est neutre. Au-dessus, c'est alcalin et en dessous d'acide.

Il produit beaucoup d'enzymes

Thermus aquaticus est un microorganisme qui a été très utile expérimentalement en raison de sa capacité à vivre dans des environnements à hautes températures.

Grâce à de nombreuses recherches, il a été déterminé qu’il synthétise de nombreuses enzymes qui, curieusement, dans d’autres micro-organismes, à ces mêmes températures, se dénaturent et perdent leur fonction.

Les enzymes synthétisées par Thermus aquaticus les plus étudiées sont:

  • Aldolase
  • Taq I enzyme de restriction
  • ADN ligase
  • Phosphatase alcaline
  • Isocitrate déshydrogénase
  • Amylomaltase

Phylogénie et taxonomie

Ce microorganisme est encadré sous l'approche classique:

  • Royaume: Bactéries
  • Phylum: Deinococcus- Thermus
  • Classe: Déinocoques
  • Commande: Thermales
  • Famille: Thermaceae
  • Genre: Thermus
  • Espèce: Thermus aquaticus.

Morphologie

La bactérie Thermus aquaticus appartient au groupe des bactéries en forme de bâtonnets (bacilles). Les cellules ont une taille approximative comprise entre 4 et 10 microns. Au microscope, vous pouvez voir de très grandes cellules, ainsi que de petites cellules. Ils ne présentent pas de cils ni de flagelles à la surface des cellules.

La cellule de Thermus aquaticus possède une membrane qui est intégrée à son tour par trois couches: un plasma interne, une externe d'aspect rugueux et une intermédiaire.

L'une des caractéristiques distinctives de ce type de bactéries est que, dans sa membrane interne, il existe des structures ressemblant à des bâtonnets, appelées corps arrondis.

De la même manière, ces bactéries contiennent très peu de peptidoglycane dans leurs parois cellulaires et, contrairement aux bactéries à Gram positif, elles contiennent des lipoprotéines.

Lorsqu'elles sont exposées à la lumière naturelle, les cellules de la bactérie peuvent prendre une couleur jaune, rose ou rouge. Cela est dû aux pigments contenus dans les cellules bactériennes.

Le matériel génétique est constitué d'un seul chromosome circulaire dans lequel l'ADN est contenu. Environ 65% de celle-ci sont constitués de nucléotides de guanine et de cytosine, les nucléotides de thymine et d’adénine représentant 35%.

Cycle de vie

En général, les bactéries, y compris T. aquaticus, se reproduisent de manière asexuée par division cellulaire. Le seul chromosome de l'ADN commence à se répliquer; il se réplique pour pouvoir hériter de toute l'information génétique des cellules filles, en raison de la présence de l'enzyme appelée ADN polymérase. À 20 minutes, le nouveau chromosome est terminé et fixé sur un site de la cellule.

La division se poursuit et après 25 minutes, les deux chromosomes ont commencé à doubler. Une division apparaît au centre de la cellule et à 38 min. les cellules filles ont la division séparée par un mur, mettant fin à la division asexuée à 45-50 min. (Dreifus, 2012).

Structure cellulaire et métabolisme

Comme il s’agit d’une bactérie à Gram négatif, elle possède une membrane externe (couche de lipoprotéines) et un périplasme (membrane aqueuse) contenant le peptidoglycane. Aucun cil n'est observé, ni flagelle.

La composition des lipides de ces organismes thermophiles doit s'adapter aux fluctuations de la température du contexte dans lequel ils se développent, afin de maintenir la fonctionnalité des processus cellulaires, sans perdre la stabilité chimique nécessaire pour éviter la dissolution à haute température (Ray et al. 1971).

D'autre part, T. aquaticus est devenu une véritable source d'enzymes thermostables. La Taq ADN polymérase est une enzyme qui catalyse la lyse d'un substrat générant une double liaison. Elle est donc liée aux enzymes de type lyase (enzymes catalysant la libération de liaisons).

Étant donné qu'il provient d'une bactérie thermophile, il résiste aux incubations prolongées à des températures élevées (Lamble, 2009).

Il convient de noter que chaque organisme possède une ADN polymérase pour la réplication, mais en raison de sa composition chimique, il ne résiste pas aux températures élevées. C'est pourquoi la taq ADN polymérase est la principale enzyme utilisée pour amplifier les séquences du génome humain, ainsi que les génomes d'autres espèces.

Les applications

Amplifier des fragments

La stabilité thermique de l'enzyme lui permet d'être utilisée dans des techniques permettant d'amplifier des fragments d'ADN par réplication in vitro, telle que la PCR (réaction en chaîne de la polymérase) (Mas et Colbs, 2001).

Pour cela, les amorces initiales et finales (séquence nucléotidique courte fournissant un point de départ pour la synthèse de l'ADN), l'ADN polymérase, les désoxyribonucléotides triphosphate, le tampon et les cations sont nécessaires.

Le tube de réaction contenant tous les éléments est placé dans un thermocycleur entre 94 et 98 degrés Celsius, afin de diviser l’ADN en chaînes simples.

Démarrez la performance des amorces et le réchauffage se produit à nouveau entre 75 et 80 degrés Celsius. Commencez la synthèse de l'extrémité 5 'à l'extrémité 3' de l'ADN.

Voici l'importance d'utiliser l'enzyme thermostable. Si une autre polymérase était utilisée, elle serait détruite aux températures extrêmes nécessaires pour mener à bien le processus.

Kary Mullis et d'autres chercheurs de Cetus Corporation ont découvert que la nécessité d'ajouter une enzyme après chaque cycle de dénaturation thermique de l'ADN était exclue. L'enzyme a été clonée, modifiée et produite en grande quantité pour la vente commerciale.

Catalyser les réactions biochimiques

Les études sur les enzymes thermostables ont conduit à l'application à une vaste gamme de procédés industriels et ont constitué une avancée majeure en biologie moléculaire. Du point de vue biotechnologique, ses enzymes sont capables de catalyser des réactions biochimiques dans des conditions de température extrêmes.

Par exemple, des recherches ont été développées pour développer un processus permettant de gérer les déchets de plumes de poulet sans utiliser de micro-organismes potentiellement infectieux.

Nous avons étudié la biodégradation de la plume de poulet induite par la production de protéase kératinolytique, ce qui implique l'utilisation de T. aquaticus thermophile non pathogène (Bhagat, 2012).

Biotechnologie alimentaire

L'hydrolyse du gluten par la sérine peptidase thermoactive aqualysin1 de T. aquaticus commence au-dessus de 80 ° C dans la fabrication du pain.

Ainsi, la contribution relative du gluten thermostable à la texture de la chapelure de pain est étudiée (Verbauwhede et Colb, 2017).

Dégradation des composés de biphényle polychlorés

En ce qui concerne l’utilité dans le domaine industriel, les enzymes de Thermus aquaticus en tant que bactéries thermophiles s’appliquent à la dégradation des composés de biphényles polychlorés (PCB).

Ces composés sont utilisés comme réfrigérants dans les équipements électriques. La toxicité est très large et sa dégradation est très lente (Ruiz, 2005).