Extremofil - Extremophile

A se vedea, de asemenea: Cele mai vechi forme de viață cunoscute

Culorile strălucitoare ale Grand Spring Prismatic , Parcul Național Yellowstone , sunt produse de Thermophiles , un tip de extremofil.

Un extremofil (din latinesc extremus care înseamnă „extrem” și grecescul philiā ( φιλία ) care înseamnă „dragoste”) este un organism capabil să trăiască (sau, în unele cazuri, să prospere ) în medii extreme , adică mediul care face supraviețuirea dificilă, cum ar fi datorită temperatură extremă , radiații , salinitate sau nivel de pH .

Aceste organisme sunt dominante ecologic în istoria evoluției planetei. Datând de acum mai bine de 40 de milioane de ani, extremofilii au continuat să prospere în cele mai extreme condiții, făcându-i una dintre cele mai abundente forme de viață.

Caracteristici

Diversitatea mediilor extreme de pe Pământ 

În anii 1980 și 1990, biologii au descoperit că viața microbiană are o mare flexibilitate pentru a supraviețui în medii extreme - nișe care sunt acide, extraordinar de fierbinți sau cu o presiune neregulată a aerului, de exemplu - care ar fi complet inospitaliere pentru organismele complexe . Unii oameni de știință au ajuns chiar la concluzia că viața ar fi putut începe pe Pământ în orificii hidrotermale aflate la mare distanță de suprafața oceanului.

Potrivit astrofizicianului Steinn Sigurdsson, „Există spori bacterieni viabile care au fost descoperiți, care au o vechime de 40 de milioane de ani pe Pământ - și știm că sunt foarte împietriți la radiații ”. Unele bacterii au fost găsite trăind în frig și întuneric într-un lac îngropat la o jumătate de kilometru adâncime sub gheața din Antarctica și în tranșeaua Marianas , cel mai adânc loc din oceanele Pământului. Expedițiile Programului internațional de descoperire a oceanului au găsit microorganisme în sedimentele de 120 ° C, aflate la 1,2 km sub fundul mării, în zona de subducție a canalului Nankai . Unele microorganisme au fost găsite înfloritoare în roci până la 1.980 de picioare (580 m) sub fundul mării, la 2.600 m de ocean în largul coastei nord-vestice a Statelor Unite. Potrivit unuia dintre cercetători, „Puteți găsi microbi peste tot - sunt extrem de adaptabili la condiții și supraviețuiesc oriunde s-ar afla”. O cheie a adaptării extremofile este compoziția lor de aminoacizi , care afectează capacitatea lor de pliere a proteinelor în condiții particulare. Studierea mediilor extreme de pe Pământ îi poate ajuta pe cercetători să înțeleagă limitele de locuit pentru alte lumi.

Tom Gheysens de la Universitatea Ghent din Belgia și unii dintre colegii săi au prezentat rezultatele cercetărilor care arată că sporii de la o specie de bacterii Bacillus au supraviețuit și erau încă viabile după ce au fost încălziți la temperaturi de 420 ° C (788 ° F).

Limitele vieții cunoscute pe Pământ.
Factor Mediu / sursă Limite Exemple
Temperatura ridicata Aerisiri hidrotermale submarine , crustă oceanică 110 ° C până la 121 ° C Pyrolobus fumarii , Pyrococcus furiosus
Temperatura scazuta Gheaţă -20 ° C până la -25 ° C Synechococcus lividus
Sisteme alcaline Lacuri de sodă pH > 11 Psychrobacter , Vibrio , Arthrobacter , Natronobacterium
Sisteme acide Izvoare vulcanice, drenaj acid al minelor pH -0,06 până la 1,0 Bacil , Clostridium paradoxum
Radiații ionizante Raze cosmice , raze X , dezintegrare radioactivă 1.500 - 6.000 Gy Deinococcus radiodurans , Rubrobacter , Thermococcus gammatolerans
Radiații UV Lumina soarelui 5.000 J / m 2 Deinococcus radiodurans , Rubrobacter , Thermococcus gammatolerans
Presiune ridicata Mariana Trench 1.100 bari Pyrococcus sp.
Salinitate Concentrație mare de sare a w ~ 0,6 Halobacteriaceae , Dunaliella salina
Desecarea Deșertul Atacama (Chile), văile uscate McMurdo (Antarctica) ~ 60% umiditate relativă Chroococcidiopsis
Crustă adâncă accesat la unele mine de aur Halicephalobus mephisto , Mylonchulus brachyurus , artropode neidentificate

Clasificări

Există multe clase de extremofili care se întind pe tot globul; fiecare corespunzând felului în care nișa sa de mediu diferă de condițiile mezofile. Aceste clasificări nu sunt exclusive. Mulți extremofili se încadrează în mai multe categorii și sunt clasificați ca poliextremofili . De exemplu, organismele care trăiesc în roci fierbinți adânc sub suprafața Pământului sunt termofile și piezofile, cum ar fi Thermococcus barophilus . O polyextremophile vie , la summit - ul unui munte în deșertul Atacama ar putea fi un radioresistant xerofile , un psihrofil , și un oligotroph . Polyextremofilii sunt bine cunoscuți pentru capacitatea lor de a tolera atât pH-ul ridicat, cât și cel scăzut .

Termeni

Imagine microscopica din hipersaline Lacul Tyrrell (salinitate> 20% g / v), în care eucariot chlorophyte , Dunaliella salina , pot fi identificate provizoriu. Dunaliella salina este cultivat comercial pentru carotenoid, β-caroten , care este utilizat pe scară largă ca un colorant alimentar natural precum și un precursor al vitaminei A. Alături este haloarchaeon, Haloquadratum walsbyi , care are celule plate în formă de pătrat , cu vezicule de gaz care permite flotarea la suprafață, cel mai probabil să dobândească oxigen.
Acidofil
Un organism cu creștere optimă la niveluri de pH de 3,0 sau mai mici.
Alcalifil
Un organism cu creștere optimă la niveluri de pH de 9,0 sau mai mari.
Anaerob
Un organism cu creștere optimă în absența oxigenului molecular . Există două subtipuri: anaerobul facultativ și anaerobul obligatoriu . O facultativa anaerob poate tolera anoxice și oxic condițiile în timp ce o obligatorii anaerob va muri în prezența chiar și niveluri scăzute de oxigen molecular .:

Capnofil

Un organism cu condiții optime de creștere în concentrații mari de dioxid de carbon. Un exemplu ar fi Mannheimia succiniciproducens , o bacterie care locuiește în sistemul digestiv al unui animal rumegător.

Criptoendolit
Un organism care trăiește în spații microscopice din roci, cum ar fi porii dintre boabele agregate. Acestea pot fi, de asemenea, numite endolit , un termen care include și organisme care populează fisuri, acvifere și defecte umplute cu apă subterană în subsolul adânc.
Halofil
Un organism cu creștere optimă la o concentrație de săruri dizolvate de 50 g / L (= 5% m / v) sau mai mare.
Hiperpiezofil
Un organism cu creștere optimă la presiuni hidrostatice peste 50 MPa (= 493 atm = 7.252 psi).
Hipertermofil
Un organism cu creștere optimă la temperaturi peste 80 ° C (176 ° F).
Hypolith
Un organism care trăiește sub roci în deșerturi reci .
Metalotolerant
Capabil să tolereze niveluri ridicate de metale grele dizolvate în soluție, cum ar fi cupru , cadmiu , arsenic și zinc . Exemplele includ Ferroplasma sp., Metallidurans Cupriavidus și GFAJ-1 .
Oligotrof
Un organism cu creștere optimă în medii limitate nutrițional.
Osmofil
Un organism cu creștere optimă în medii cu o concentrație mare de zahăr.
Piezofil
Un organism cu creștere optimă în presiuni hidrostatice peste 10 MPa (= 99 atm = 1.450 psi). Numit și barofil .
Poliextremofil
Un poliextremofil (faux latin vechi / grecesc pentru „afecțiune pentru multe extreme”) este un organism care se califică ca extremofil în mai multe categorii.
Psihrofil / Cryophile
Un organism cu creștere optimă la temperaturi de 15 ° C (59 ° F) sau mai mici.
Radiorezistent
Organisme rezistente la niveluri ridicate de radiații ionizante , cel mai frecvent radiații ultraviolete. Această categorie include, de asemenea, organismele capabile să reziste radiațiilor nucleare .:

Sulfofil

Un organism cu condiții optime de creștere în concentrații mari de sulf. Un exemplu ar fi Sulfurovum Epsilonproteobacteria , o bacterie oxidantă a sulfului care locuiește în gurile de adâncime ale apei de sulf.

Termofil
Un organism cu creștere optimă la temperaturi peste 45 ° C (113 ° F).
Xerofil
Un organism cu creștere optimă la activitatea apei sub 0,8.

În astrobiologie

Astrobiologia este studiul originii , evoluției , distribuției și viitorului vieții în univers : viața extraterestră și viața pe Pământ . Mărcile Astrobiologia utilizarea fizica , chimie , astronomie , fizica solara , biologie , biologie moleculara , ecologie , științe planetare , geografie și geologie pentru a investiga posibilitatea vieții pe alte lumi și ajutor recunosc biosfere care ar putea fi diferită de cea de pe Pământ. Astrobiologii sunt deosebit de interesați să studieze extremofilii, deoarece le permite să cartografieze ceea ce se știe despre limitele vieții pe Pământ la medii potențiale extraterestre. De exemplu, deșerturile analoage din Antarctica sunt expuse la radiații UV dăunătoare , la temperaturi scăzute, la concentrații ridicate de sare și la niveluri scăzute. concentrația de minerale. Aceste condiții sunt similare cu cele de pe Marte . Prin urmare, găsirea microbilor viabili în subsolul Antarcticii sugerează că pot exista microbi care să supraviețuiască în comunitățile endolitice și să trăiască sub suprafața marțiană. Cercetările arată că este puțin probabil ca microbii marțieni să existe la suprafață sau la adâncimi mici, dar pot fi găsiți la adâncimi subterane de aproximativ 100 de metri.

Cercetările recente efectuate asupra extremofililor din Japonia au implicat o varietate de bacterii, inclusiv Escherichia coli și Paracoccus denitrificans, fiind supuse unor condiții de gravitate extremă. Bacteriile au fost cultivate în timp ce erau rotite într-o ultracentrifugă la viteze mari care corespundeau 403.627 g (adică 403.627 ori gravitația experimentată pe Pământ). Paracoccus denitrificans a fost una dintre bacteriile care au prezentat nu numai supraviețuirea, ci și o creștere celulară robustă în aceste condiții de hiperaccelerare, care se găsesc de obicei numai în medii cosmice, cum ar fi stelele foarte masive sau în undele de șoc ale supernovelor . Analiza a arătat că dimensiunea redusă a celulelor procariote este esențială pentru creșterea cu succes sub hipergravitate . Cercetarea are implicații asupra fezabilității panspermiei .

La 26 aprilie 2012, oamenii de știință au raportat că lichenul a supraviețuit și a arătat rezultate remarcabile cu privire la capacitatea de adaptare a activității fotosintetice în timpul de simulare de 34 de zile în condiții marțiene în Mars Simulation Laboratory (MSL) întreținut de Centrul German Aerospațial (DLR).

La 29 aprilie 2013, oamenii de știință de la Institutul Politehnic Rensselaer , finanțat de NASA , au raportat că, în timpul zborurilor spațiale pe Stația Spațială Internațională , microbii par să se adapteze mediului spațial în moduri „neobservate pe Pământ” și în moduri care „pot duce la creșteri în creștere și virulență ”.

La 19 mai 2014, oamenii de știință au anunțat că numeroși microbi , precum Tersicoccus phoenicis , pot fi rezistenți la metodele utilizate de obicei în camerele curate de asamblare a navei spațiale . În prezent nu se știe dacă astfel de microbi rezistenți ar fi putut rezista călătoriei spațiale și ar fi prezenți pe rover-ul Curiosity de acum pe planeta Marte.

La 20 august 2014, oamenii de știință au confirmat existența microorganismelor care trăiesc la o jumătate de mile sub gheața Antarcticii .

În septembrie 2015, oamenii de știință de la CNR-Consiliul Național de Cercetare din Italia au raportat că S.soflataricus a reușit să supraviețuiască sub radiația marțiană la o lungime de undă considerată extrem de letală pentru majoritatea bacteriilor. Această descoperire este semnificativă deoarece indică faptul că nu numai sporii bacterieni, ci și celulele în creștere pot fi remarcabil de rezistente la radiațiile UV puternice.

În iunie 2016, oamenii de stiinta de la Universitatea Brigham Young în mod concludent a raportat că endospori de Bacillus subtilis au putut să supraviețuiască impacturilor de mare viteză de până la 299 ± 28 m / s, șoc extreme, și decelerare extremă. Ei au subliniat că această caracteristică ar putea permite endosporilor să supraviețuiască și să fie transferați între planete călătorind în interiorul meteoriților sau experimentând perturbări ale atmosferei. Mai mult, au sugerat că aterizarea navei spațiale poate avea ca rezultat și transferul de spori interplanetari, având în vedere că sporii pot supraviețui impactului de mare viteză în timp ce sunt expulzați de pe nava spațială pe suprafața planetei. Acesta este primul studiu care a raportat că bacteriile pot supraviețui cu un impact atât de mare. Cu toate acestea, viteza de impact letală este necunoscută, iar experimentele suplimentare ar trebui făcute prin introducerea unui impact de viteză mai mare în endosporii bacterieni.

În august 2020, oamenii de știință au raportat că bacteriile care se hrănesc cu aerul descoperit în 2017 în Antarctica probabil nu se limitează la Antarctica după ce au descoperit cele două gene legate anterior de „chemosinteza atmosferică” a acestora în solul altor două site-uri similare deșertului rece, care oferă informații suplimentare despre acest lucru. scufundă carbon și întărește și mai mult dovezile extremofile care susțin existența potențială a vieții microbiene pe planetele extraterestre.

În aceeași lună, oamenii de știință au raportat că bacteriile de pe Pământ, în special Deinococcus radiodurans , s-au dovedit a supraviețui timp de trei ani în spațiul cosmic , pe baza studiilor efectuate pe Stația Spațială Internațională . Aceste descoperiri susțin noțiunea de panspermie .

Cu toate acestea, s-a arătat, de asemenea, că evoluția pune unele restricții asupra extremofililor ca analogi vieții în alte părți ale sistemului solar și nu numai.

Bioremediere

Extremofilii pot fi, de asemenea, jucători utili în bioremedierea siturilor contaminate, deoarece unele specii sunt capabile de biodegradare în condiții prea extreme pentru speciile candidate la bioremediere clasice. Activitatea antropogenă determină eliberarea de poluanți care ar putea să se stabilească în medii extreme, cum este cazul sterilului și sedimentelor eliberate din activitatea minieră de adâncime. În timp ce majoritatea bacteriilor ar fi zdrobite de presiunea din aceste medii, piezofilele pot tolera aceste adâncimi și pot metaboliza poluanții care prezintă îngrijorare dacă posedă potențial de bioremediere.

Hidrocarburi

Există mai multe destinații potențiale pentru hidrocarburi după ce s-a stabilit o deversare de petrol și curenții le depun în mod obișnuit în medii extreme. Bulele de metan rezultate din deversarea de petrol Deepwater Horizon au fost găsite la 1,1 kilometri sub nivelul suprafeței apei și la concentrații de până la 183 μ mol pe kilogram. Combinația de temperaturi scăzute și presiuni ridicate în acest mediu are ca rezultat o activitate microbiană scăzută. Cu toate acestea, bacteriile prezente, inclusiv speciile de Pseudomonas , Aeromonas și Vibrio, s-au dovedit a fi capabile de bioremediere, deși la o zecime din viteza pe care ar avea-o la presiunea la nivelul mării. Hidrocarburile aromatice policiclice cresc în solubilitate și biodisponibilitate odată cu creșterea temperaturii. Speciile termofile Thermus și Bacillus au demonstrat o expresie genică mai mare pentru alcanul mono-oxigenază alkB la temperaturi care depășesc 60 ° C. Expresia acestei gene este un precursor crucial al procesului de bioremediere. Ciupercile care au fost modificate genetic cu enzime adaptate la rece pentru a tolera diferite niveluri de pH și temperaturi s-au dovedit a fi eficiente în remedierea contaminării cu hidrocarburi în condiții de îngheț în Antarctica.

Metale

Acidithiubacillus ferroxidans s- a dovedit a fi eficient în remedierea mercurului din solul acid datorităgeneisale merA care îl face rezistent la mercur. Efluenții industriali conțin niveluri ridicate de metale care pot fi dăunătoare atât sănătății umane, cât și sănătății ecosistemului. În medii cu căldură extremă,sa demonstrat că Geobacillus thermodenitrificans extremofilgestionează în mod eficient concentrația acestor metale în decurs de douăsprezece ore de la introducere. Unele microorganisme acidofile sunt eficiente la remedierea metalelor în medii acide datorită proteinelor găsite în periplasma lor, care nu sunt prezente în niciun organism mezofil, permițându-le să se protejeze de concentrații ridicate de protoni. Oezarii sunt medii foarte oxidative care pot produce niveluri ridicate de plumb sau cadmiu. Deinococcus radiodurans sunt rezistenți la condițiile dure ale mediului și, prin urmare, sunt specii candidate la limitarea gradului de contaminare a acestor metale.

Drenajul acid al minei

Drenajul acid al minelor este o preocupare majoră de mediu asociată cu multe mine de metale. Una dintre cele mai productive metode de remediere a acestuia este prin introducerea organismului extremofil Thiobacillus ferrooxidans .

Materiale radioactive

Orice bacterie capabilă să locuiască în medii radioactive poate fi clasificată ca extremofilă. Prin urmare, organismele radiorezistente sunt critice în bioremedierea radionuclizilor. Uraniul este deosebit de dificil de conținut atunci când este eliberat într-un mediu și foarte dăunător atât pentru sănătatea umană, cât și pentru cea a ecosistemului. Proiectul NANOBINDERS echipează bacteriile care pot supraviețui în medii bogate în uraniu cu secvențe genetice care permit proteinelor să se lege de uraniu în efluenții miniere, făcând mai convenabil colectarea și eliminarea acestora.

Radiorezistența a fost observată și la anumite specii de forme de viață macroscopice. Doza letală necesară pentru a ucide până la 50% dintr-o populație de broaște țestoase este de 40.000 roentgens , comparativ cu doar 800 roentgens necesari pentru a ucide 50% dintr-o populație umană. În experimentele care expuneau insectele lepidopterane la radiații gamma , leziuni semnificative ale ADN-ului au fost detectate doar la 20 Gy și doze mai mari, spre deosebire de celulele umane care au prezentat leziuni similare la doar 2 Gy.

Exemple și descoperiri recente

Noi subtipuri de -file sunt identificate frecvent, iar lista de subcategorii pentru extremofili este mereu în creștere. De exemplu, viața microbiană trăiește în lacul asfaltic lichid , Lacul Pitch . Cercetările indică faptul că extremofile populează lacul asfaltic în populațiile cuprinse între 10 și 6 acompaniat de de 10 7 celule / gram. De asemenea, până de curând toleranța la bor nu era cunoscută, dar un bacteriofor puternic a fost descoperit în bacterii. Odată cu izolarea recentă a Bacillus boroniphilus , borofilii au intrat în discuție. Studierea acestor borofili poate ajuta la iluminarea mecanismelor atât ale toxicității borului, cât și ale deficitului de bor.

În iulie 2019, un studiu științific al minei Kidd din Canada a descoperit organisme care respiră sulf, care trăiesc la 800 de metri sub suprafață și care respiră sulf pentru a supraviețui. Aceste organisme sunt, de asemenea, remarcabile datorită consumului de roci, cum ar fi pirita, ca sursă obișnuită de hrană.

Biotehnologie

Articol principal: Extremofili în biotehnologie

Thermoalkaliphilic catalaza , care inițiază descompunerea peroxidului de hidrogen în oxigen și apă, a fost izolat dintr - un organism, Thermus brockianus , găsit în Parcul National Yellowstone de Idaho National Laboratory cercetători. Catalaza funcționează într-un interval de temperatură de la 30 ° C la peste 94 ° C și un interval de pH de la 6-10. Această catalază este extrem de stabilă în comparație cu alte catalaze la temperaturi și pH ridicate. Într-un studiu comparativ, T. brockianus catalaza a prezentat un timp de înjumătățire de 15 zile la 80 ° C și pH 10 în timp ce o catalază derivată din Aspergillus niger a avut un timp de înjumătățire de 15 secunde în aceleași condiții. Catalaza va avea aplicații pentru îndepărtarea peroxidului de hidrogen în procesele industriale, cum ar fi albirea celulozei și hârtiei, albirea textilelor, pasteurizarea alimentelor și decontaminarea suprafeței ambalajelor alimentare.

Enzimele modificatoare ale ADN-ului precum Taq ADN polimeraza și unele enzime Bacillus utilizate în diagnosticul clinic și lichefierea amidonului sunt produse comercial de mai multe companii de biotehnologie.

Transfer ADN

Se știe că peste 65 de specii procariote sunt în mod natural competente pentru transformarea genetică, capacitatea de a transfera ADN de la o celulă la alta celulă urmată de integrarea ADN-ului donator în cromozomul celulei primitoare. Mai mulți extremofili sunt capabili să efectueze transferul de ADN specific speciei, așa cum este descris mai jos. Cu toate acestea, nu este încă clar cât de comună este o astfel de capacitate la extremofili.

Bacteria Deinococcus radiodurans este unul dintre cele mai rezistente organisme cunoscute. Această bacterie poate supraviețui și frigului, deshidratării, vidului și acidului și este astfel cunoscută sub numele de poliextremofil. D. radiodurans este competent să efectueze transformarea genetică . Celulele beneficiare sunt capabile să repare daunele ADN-ului în ADN-ul transformator al donatorului care a fost iradiat cu UV la fel de eficient precum repară ADN-ul celular atunci când celulele în sine sunt iradiate. Bacteria termofilă extremă Thermus thermophilus și alte specii Thermus înrudite sunt, de asemenea, capabile de transformare genetică.

Halobacterium volcanii , unarheonextrem de halofil (tolerant la salină ), este capabil de transformare genetică naturală. Punțile citoplasmatice se formează între celule care par a fi utilizate pentru transferul ADN de la o celulă la alta în ambele direcții.

Sulfolobus solfataricus și Sulfolobus acidocaldarius sunt arhee hipertermofile. Expunerea acestor organisme la agenții dăunători ai ADN-ului Iradierea UV, bleomicina sau mitomicina C induce agregarea celulară specifică speciei. Agregarea celulară indusă de UV a S. acidocaldarius mediază schimbul de markeri cromozomiali cu frecvență ridicată. Ratele de recombinare depășesc cele ale culturilor neinduse cu până la trei ordine de mărime. Frols și colab. și Ajon și colab. a emis ipoteza că agregarea celulară îmbunătățește transferul de ADN specific speciei întrecelulele Sulfolobus pentru a repara ADN-ul deteriorat prin recombinare omoloagă. Van Wolferen și colab. a menționat că acest proces de schimb ADN poate fi crucial în condiții dăunătoare ADN-ului, cum ar fi temperaturi ridicate. De asemenea, s-a sugerat că transferul de ADN în Sulfolobus poate fi o formă timpurie de interacțiune sexuală similară cu sistemele de transformare bacteriană mai bine studiate, care implică transferul de ADN specific speciei, ducând la repararea omologă recombinațională a deteriorării ADN-ului (și a se vedea Transformarea (genetică) ).

Veziculele cu membrană extracelulară (VM) ar putea fi implicate în transferul ADN între diferite specii arheeale hipertermofile. S-a demonstrat că atât plasmidele, cât și genomurile virale pot fi transferate prin MV. În special, a fost documentat un transfer orizontal de plasmidă între speciile Thermococcus hipertermofil și Methanocaldococcus , respectiv aparținând ordinelor Thermococcales și Methanococcales .

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

linkuri externe