Ekstremofil - Extremophile

De lyse farver fra Grand Prismatic Spring , Yellowstone National Park , produceres af Thermophiles , en type ekstremofile.

En extremophile (fra latin Extremus betyder "ekstrem" og græsk filia ( φιλία ) betyder "kærlighed") er en organisme, der er i stand til at leve (eller i nogle tilfælde trives ) i ekstreme miljøer , dvs. miljø, som gør overlevelse udfordrende såsom på grund af ekstrem temperatur , stråling , saltindhold eller pH -niveau .

Disse organismer er økologisk dominerende i planetens evolutionære historie. Stammer tilbage fra mere end 40 millioner år siden, har ekstremofiler fortsat trives under de mest ekstreme forhold, hvilket gør dem til en af ​​de mest udbredte livsformer.

Egenskaber

Mangfoldighed af ekstreme miljøer på Jorden

I 1980'erne og 1990'erne fandt biologer ud af, at mikrobielt liv har stor fleksibilitet til at overleve i ekstreme miljøer - f.eks. Sure, ekstraordinært varme eller inden for uregelmæssigt lufttryk - det ville være fuldstændig ugæstfrit for komplekse organismer . Nogle forskere konkluderede endda, at livet kan være begyndt på jorden i hydrotermiske ventilationsåbninger langt under havets overflade.

Ifølge astrofysiker Steinn Sigurdsson: "Der er fundet levedygtige bakteriesporer , der er 40 millioner år gamle på Jorden - og vi ved, at de er meget hærdet for stråling ." Nogle bakterier blev fundet lever i kulde og mørke i en sø begravet en halv kilometer dyb under isen i Antarktis og i Marianas-grøften , det dybeste sted i Jordens oceaner. Ekspeditioner fra International Ocean Discovery Program fandt mikroorganismer i 120 ° C sediment, der er 1,2 km under havbunden i Nankai Trough subduktionszonen . Nogle mikroorganismer er fundet trives inde i klipper op til 580 m under havbunden under 2600 m hav ud for kysten af ​​det nordvestlige USA. Ifølge en af ​​forskerne: "Du kan finde mikrober overalt - de er ekstremt tilpasselige til forhold og overlever uanset hvor de er." En nøgle til ekstremofil tilpasning er deres aminosyresammensætning , der påvirker deres proteinfoldningsevne under særlige forhold. At studere ekstreme miljøer på Jorden kan hjælpe forskere med at forstå grænserne for beboelighed på andre verdener.

Tom Gheysens fra Ghent University i Belgien og nogle af hans kolleger har præsenteret forskningsresultater, der viser, at sporer fra en art af Bacillus -bakterier overlevede og stadig var levedygtige efter at have været opvarmet til temperaturer på 420 ° C (788 ° F).

Grænserne for kendt liv på Jorden.
Faktor Miljø / kilde Grænser Eksempler
Høj temperatur Ubåd hydrotermiske ventilationsåbninger , oceanisk skorpe 110 ° C til 121 ° C Pyrolobus fumarii , Pyrococcus furiosus
Lav temperatur Is -20 ° C til -25 ° C Synechococcus lividus
Alkaliske systemer Sodavand pH > 11 Psychrobacter , Vibrio , Arthrobacter , Natronobacterium
Sure systemer Vulkanske fjedre, syredrainafvanding pH -0,06 til 1,0 Bacillus , Clostridium paradoxum
Ioniserende stråling Kosmiske stråler , røntgenstråler , radioaktivt henfald 1.500 til 6.000 Gy Deinococcus radiodurans , Rubrobacter , Thermococcus gammatolerans
UV -stråling Sollys 5.000 J /m 2 Deinococcus radiodurans , Rubrobacter , Thermococcus gammatolerans
Højt tryk Mariana Trench 1.100 bar Pyrococcus sp.
Saltholdighed Høj saltkoncentration en w ~ 0,6 Halobacteriaceae , Dunaliella salina
Udtørring Atacama -ørkenen (Chile), McMurdo Dry Valleys (Antarktis) ~ 60% relativ luftfugtighed Chroococcidiopsis
Dyb skorpe adgang til nogle guldminer Halicephalobus mephisto , Mylonchulus brachyurus , uidentificerede leddyr

Klassifikationer

Der er mange klasser af ekstremofiler, der spænder over hele kloden; hver svarer til den måde, dens miljømæssige niche adskiller sig fra mesofile forhold. Disse klassifikationer er ikke eksklusive. Mange ekstremofiler falder ind under flere kategorier og klassificeres som polyekstremofiler . For eksempel er organismer, der lever inde i varme klipper dybt under Jordens overflade, termofile og piezofile, såsom Thermococcus barophilus . En polyekstremofil, der bor på toppen af ​​et bjerg i Atacama -ørkenen, kan være en radioresistent xerofil , en psykrofil og en oligotrof . Polyextremofiler er velkendte for deres evne til at tolerere både høje og lave pH -værdier .

Vilkår

Mikroskopisk billede fra den hypersalinske Tyrrell -sø (saltholdighed> 20% vægt/volumen), hvor den eukaryote klorofyt , Dunaliella salina , foreløbigt kan identificeres. Dunaliella salina dyrkes kommercielt til carotenoidet, β-caroten , som er meget udbredt som et naturligt fødevarefarvestof samt en forløber for vitamin A. Sideløbende med haloarchaeon, Haloquadratum walsbyi , som har flade firkantede celler med gasblærer , der tillade flotation til overfladen, mest sandsynligt at erhverve ilt.
Acidofil
En organisme med optimal vækst ved pH -værdier på 3,0 eller derunder.
Alkalifil
En organisme med optimal vækst ved pH -værdier på 9,0 eller derover.
Anaerobe
En organisme med optimal vækst i fravær af molekylær ilt . Der findes to undertyper: fakultativ anaerobe og obligatorisk anaerobe . En fakultativ anaerobe kan tolerere anoksiske og oxiske tilstande, mens en obligatorisk anaerobe vil dø i nærvær af selv lave niveauer af molekylær ilt .:

Capnophile

En organisme med optimale vækstbetingelser i høje koncentrationer af kuldioxid. Et eksempel ville være Mannheimia succiniciproducens , en bakterie, der lever i et drøvtyggers dyrs fordøjelsessystem.

Cryptoendolith
En organisme, der lever i mikroskopiske rum inden for sten, såsom porer mellem aggregatkorn. Disse kan også kaldes endolit , et begreb, der også omfatter organismer, der befolker revner, akviferer og fejl fyldt med grundvand i den dybe undergrund.
Halofil
En organisme med optimal vækst i en koncentration af opløste salte på 50 g/L (= 5% m/v) eller derover.
Hyperpiezofil
En organisme med optimal vækst ved hydrostatiske tryk over 50 MPa (= 493 atm = 7.252 psi).
Hypertermofil
En organisme med optimal vækst ved temperaturer over 80 ° C (176 ° F).
Hypolith
En organisme, der lever under sten i kolde ørkener .
Metallotolerant
Kan tåle høje niveauer af opløste tungmetaller i opløsning, såsom kobber , cadmium , arsen og zink . Eksempler omfatter Ferroplasma sp., Cupriavidus metallidurans og GFAJ-1 .
Oligotrof
En organisme med optimal vækst i ernæringsmæssigt begrænsede miljøer.
Osmofil
En organisme med optimal vækst i miljøer med en høj sukkerkoncentration.
Piezophile
En organisme med optimal vækst i hydrostatiske tryk over 10 MPa (= 99 atm = 1.450 psi). Også omtalt som barofil .
Polyextremophile
En polyextremophile (faux old -latin /græsk for 'hengivenhed for mange ekstremer') er en organisme, der kvalificerer sig som ekstremofil under mere end en kategori.
Psychrophile / Cryophile
En organisme med optimal vækst ved temperaturer på 15 ° C (59 ° F) eller lavere.
Radioresistent
Organismer, der er resistente over for høje niveauer af ioniserende stråling , oftest ultraviolet stråling. Denne kategori omfatter også organismer, der er i stand til at modstå atomstråling .:

Sulfofil

En organisme med optimale vækstbetingelser i høje koncentrationer af svovl. Et eksempel ville være Sulfurovum Epsilonproteobacteria , en svovloxiderende bakterie, der lever i svovlåbninger i dybt vand.

Termofil
En organisme med optimal vækst ved temperaturer over 45 ° C (113 ° F).
Xerophile
En organisme med optimal vækst ved vandaktivitet under 0,8.

I astrobiologi

Astrobiologi er studiet af livets oprindelse , evolution , distribution og fremtid i universet : udenjordisk liv og liv på Jorden . Astrobiologi gør brug af fysik , kemi , astronomi , solfysik , biologi , molekylærbiologi , økologi , planetarisk videnskab , geografi og geologi til at undersøge muligheden for liv i andre verdener og hjælpe med at genkende biokugler, der kan være anderledes end på Jorden. Astrobiologer er særlig interesserede i at studere ekstremofiler, da det giver dem mulighed for at kortlægge, hvad man ved om livets grænser til potentielle udenjordiske miljøer. For eksempel udsættes analoge ørkener for Antarktis for skadelig UV -stråling , lav temperatur, høj saltkoncentration og lav mineral koncentration. Disse forhold ligner dem på Mars . Derfor tyder det på at finde levedygtige mikrober i undergrunden af ​​Antarktis, at der kan være mikrober, der overlever i endolitiske samfund og lever under Mars -overfladen. Forskning viser, at det er usandsynligt, at der findes marsmikrober på overfladen eller på lavvandede dybder, men kan findes på under 100 meters dybde.

Nylig forskning udført på ekstremofiler i Japan involverede en række forskellige bakterier, herunder Escherichia coli og Paracoccus denitrificans, der var underlagt betingelser med ekstrem tyngdekraft. Bakterierne blev dyrket, mens de blev roteret i en ultracentrifuge ved høje hastigheder svarende til 403.627 g (dvs. 403.627 gange tyngdekraften oplevet på Jorden). Paracoccus denitrificans var en af ​​de bakterier, der ikke kun udviste overlevelse, men også robust cellulær vækst under disse hyperaccelerationstilstande, som normalt kun findes i kosmiske miljøer, f.eks. På meget massive stjerner eller i supernovas chokbølger . Analyse viste, at den lille størrelse af prokaryote celler er afgørende for vellykket vækst under hypergravitation . Forskningen har konsekvenser for gennemførligheden af panspermi .

Den 26. april 2012 rapporterede forskere, at lav overlevede og viste bemærkelsesværdige resultater på tilpasningskapaciteten af fotosyntetisk aktivitet inden for simuleringstiden på 34 dage under Mars -forhold i Mars Simulation Laboratory (MSL) vedligeholdt af det tyske luftfartscenter (DLR).

Den 29. april 2013 forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute , finansieret af NASA , rapporterede, at under rumfartinternationale rumstation , mikrober synes at tilpasse sig den plads miljø på måder "ikke observeret på jorden", og på måder, der "kan føre til stigninger i vækst og virulens ".

Den 19. maj 2014 annoncerede forskere, at mange mikrober , ligesom Tersicoccus phoenicis , kan være resistente over for metoder, der normalt bruges i rumfartøjs samling af rene rum . Det vides i øjeblikket ikke, om sådanne resistente mikrober kunne have modstået rumfart og er til stede på Curiosity -roveren nu på planeten Mars.

Den 20. august 2014 bekræftede forskere eksistensen af mikroorganismer, der lever en halv kilometer under isen på Antarktis .

I september 2015 rapporterede forskere fra CNR-National Research Council of Italy, at S.soflataricus var i stand til at overleve under Mars-stråling ved en bølgelængde, der blev betragtet som ekstremt dødelig for de fleste bakterier. Denne opdagelse er vigtig, fordi den indikerer, at ikke kun bakteriesporer, men også voksende celler kan være bemærkelsesværdigt resistente over for stærk UV -stråling.

I juni 2016 rapporterede forskere fra Brigham Young University endegyldigt, at endosporer af Bacillus subtilis var i stand til at overleve kraftige påvirkninger op til 299 ± 28 m/s, ekstremt stød og ekstrem deceleration. De påpegede, at denne funktion muligvis gør det muligt for endosporer at overleve og overføres mellem planeter ved at rejse inden for meteoritter eller ved at opleve atmosfærisk forstyrrelse. Desuden foreslog de, at landingen af ​​rumfartøjer også kan resultere i interplanetar sporeoverførsel, da sporer kan overleve højhastighedspåvirkning, mens de skubbes ud fra rumfartøjet til planetoverfladen. Dette er den første undersøgelse, der rapporterede, at bakterier kan overleve ved en sådan højhastighedspåvirkning. Den dødelige slaghastighed er imidlertid ukendt, og yderligere forsøg bør udføres ved at indføre højere hastighedseffekt for bakterielle endosporer.

I august 2020 rapporterede forskere, at bakterier, der lever af luft opdaget 2017 i Antarktis , sandsynligvis ikke er begrænset til Antarktis efter at have opdaget de to gener, der tidligere var knyttet til deres "atmosfæriske kemosyntese" i jord af to andre lignende kolde ørkensteder, hvilket giver yderligere information om dette carbon sink og styrker yderligere ekstremofile beviser, der understøtter den potentielle eksistens af mikrobielt liv på fremmede planeter.

Samme måned rapporterede forskere, at bakterier fra Jorden, især Deinococcus radiodurans , blev fundet at overleve i tre år i det ydre rum , baseret på undersøgelser på den internationale rumstation . Disse fund understøtter forestillingen om panspermi .

Det er imidlertid også blevet vist, at evolution satte nogle begrænsninger på ekstremofile som analoger til livet andre steder i solsystemet og videre.

Bioremediering

Ekstremofiler kan også være nyttige aktører i bioremediering af forurenede steder, da nogle arter er i stand til biologisk nedbrydning under for ekstreme forhold for klassiske bioremedieringskandidatarter. Antropogen aktivitet forårsager frigivelse af forurenende stoffer, der potentielt kan bosætte sig i ekstreme miljøer, som det er tilfældet med tailings og sediment frigivet fra dybhavsminedrift. Mens de fleste bakterier ville blive knust af trykket i disse miljøer, kan piezofile tolerere disse dybder og kan metabolisere bekymrende forurenende stoffer, hvis de besidder bioremedieringspotentiale.

Kulbrinter

Der er flere potentielle destinationer for kulbrinter, efter at et olieudslip har lagt sig, og strømme rutinemæssigt deponerer dem i ekstreme miljøer. Metanbobler som følge af Deepwater Horizon -olieudslippet blev fundet 1,1 kilometer under vandoverfladen og ved koncentrationer så høje som 183 μ mol pr. Kg. Kombinationen af ​​lave temperaturer og høje tryk i dette miljø resulterer i lav mikrobiel aktivitet. Imidlertid viste det sig, at bakterier, der er til stede, herunder arter af Pseudomonas , Aeromonas og Vibrio, er i stand til bioremediering, omend med en tiendedel af den hastighed, de ville udføre ved tryk på havoverfladen. Polycykliske aromatiske carbonhydrider øges i opløselighed og biotilgængelighed med stigende temperatur. Termofile Thermus- og Bacillus- arter har vist højere genekspression for alkanmono -oxygenase- alkB ved temperaturer over 60 ° C. Ekspressionen af ​​dette gen er en afgørende forløber for bioremedieringsprocessen. Svampe, der er blevet genetisk modificeret med koldtilpassede enzymer til at tolerere forskellige pH-niveauer og temperaturer, har vist sig at være effektive til at afhjælpe kulbrinteforurening under fryseforhold i Antarktis.

Metaller

Acidithiubacillus ferroxidaner har vist sig at være effektive til at afhjælpe kviksølv i sur jord på grund af dets merA -gen, der gør det kviksølvresistent. Industrielt spildevand indeholder høje metaller, der kan være skadelige for både menneskers og økosystemets sundhed. I ekstreme varmemiljøer har ekstrofofile Geobacillus thermodenitrificans vist sig effektivt at styre koncentrationen af ​​disse metaller inden for tolv timer efter introduktionen. Nogle acidofile mikroorganismer er effektive til metalsanering i sure miljøer på grund af proteiner, der findes i deres periplasma, og som ikke findes i mesofile organismer, så de kan beskytte sig mod høje protonkoncentrationer. Rismarker er stærkt oxidative miljøer, der kan producere høje niveauer af bly eller cadmium. Deinococcus radiodurans er resistente over for de barske forhold i miljøet og er derfor kandidatarter til at begrænse omfanget af kontaminering af disse metaller.

Dræning af sure miner

Dræning af sure miner er et stort miljøhensyn forbundet med mange metalminer. En af de mest produktive metoder til afhjælpning er gennem introduktionen af ​​den ekstremofile organisme Thiobacillus ferrooxidans .

Radioaktive materialer

Enhver bakterie, der er i stand til at leve i radioaktive medier, kan klassificeres som en ekstremofil. Radioresistente organismer er derfor kritiske ved bioremediering af radionuklider. Uran er særligt udfordrende at indeholde, når det frigives til et miljø og meget skadeligt for både menneskers og økosystemets sundhed. NANOBINDERS -projektet udstyrer bakterier, der kan overleve i uranrige miljøer, med gensekvenser, der gør det muligt for proteiner at binde sig til uran i minedriftsspildevand, hvilket gør det mere bekvemt at opsamle og bortskaffe.

Radiomodstand er også blevet observeret i visse arter af makroskopiske livsformer. Den dødelige dosis, der kræves for at dræbe op til 50% af en skildpaddepopulation, er 40.000 roentgens sammenlignet med kun 800 roentgener, der er nødvendige for at dræbe 50% af en menneskelig befolkning. I eksperimenter, der udsatte lepidopteran -insekter for gammastråling , blev signifikant DNA -skade kun påvist ved 20 Gy og højere doser, i modsætning til humane celler, der viste lignende skader ved kun 2 Gy.

Eksempler og nyere fund

Nye undertyper af -filer identificeres ofte, og underkategorilisten for ekstremofiler vokser altid. For eksempel lever mikrobielt liv i den flydende asfalt sø, Pitch Lake . Forskning tyder på, at ekstremofiler bebor asfalt søen i populationer på mellem 10 6 og 10 7 celler/gram. Ligeledes indtil for nylig boron tolerance var ukendt, men en stærk borophile blev opdaget i bakterier. Med den nylige isolering af Bacillus boroniphilus kom borofiler til diskussion. At studere disse borofiler kan hjælpe med at belyse mekanismerne for både bortoksicitet og bormangel.

I juli 2019 opdagede en videnskabelig undersøgelse af Kidd Mine i Canada svovlåndende organismer, der lever 7900 fod under overfladen, og som indånder svovl for at overleve. Disse organismer er også bemærkelsesværdige på grund af at de spiser sten som pyrit som deres normale fødekilde.

Bioteknologi

Den termoalkalifile katalase , der initierer nedbrydning af hydrogenperoxid til ilt og vand, blev isoleret fra en organisme, Thermus brockianus , fundet i Yellowstone National Park af Idaho National Laboratory -forskere . Katalasen fungerer over et temperaturområde fra 30 ° C til over 94 ° C og et pH -område fra 6-10. Denne katalase er ekstremt stabil sammenlignet med andre katalaser ved høje temperaturer og pH. I et sammenlignende studie udviste T. brockianus catalase en halveringstid på 15 dage ved 80 ° C og pH 10, mens en katalase afledt af Aspergillus niger havde en halveringstid på 15 sekunder under de samme betingelser. Katalasen vil have anvendelser til fjernelse af hydrogenperoxid i industrielle processer såsom papirmasse og blegning af papir, tekstilblegning, madpasteurisering og overfladekontaminering af fødevareemballage.

DNA -modificerende enzymer, såsom Taq DNA -polymerase og nogle Bacillus -enzymer, der anvendes i klinisk diagnostik og stivelsesflydning, produceres kommercielt af flere bioteknologiske virksomheder.

DNA -overførsel

Over 65 prokaryote arter vides at være naturligt kompetente til genetisk transformation, evnen til at overføre DNA fra en celle til en anden celle efterfulgt af integration af donor -DNA'et i modtagercellens kromosom. Flere ekstremofiler er i stand til at udføre artsspecifik DNA-overførsel, som beskrevet nedenfor. Det er imidlertid endnu ikke klart, hvor almindelig en sådan kapacitet er blandt ekstremofile.

Bakterien Deinococcus radiodurans er en af ​​de mest radioresistente organismer, man kender. Denne bakterie kan også overleve kulde, dehydrering, vakuum og syre og er derfor kendt som en polyextremophile. D. radiodurans er kompetent til at udføre genetisk transformation . Modtagerceller er i stand til at reparere DNA -skader i donor -transformerende DNA, der var blevet UV -bestrålet lige så effektivt, som de reparerer cellulært DNA, når cellerne selv bestråles. Den ekstreme termofile bakterie Thermus thermophilus og andre beslægtede Thermus -arter er også i stand til genetisk transformation.

Halobacterium volcanii , en ekstrem halofil ( saltvandstolerant ) arkæon, er i stand til naturlig genetisk transformation. Cytoplasmatiske broer dannes mellem celler, der ser ud til at blive brugt til DNA -overførsel fra en celle til en anden i begge retninger.

Sulfolobus solfataricus og Sulfolobus acidocaldarius er hypertermofile archaea. Eksponering af disse organismer for de DNA-skadelige midler UV-bestråling, bleomycin eller mitomycin C inducerer artsspecifik cellulær aggregering. UV-induceret cellulær aggregering af S. acidocaldarius medierer kromosomal markørudveksling med høj frekvens. Rekombinationshastigheder overstiger de for ikke -inducerede kulturer med op til tre størrelsesordener. Frols et al. og Ajon et al. antog, at cellulær aggregering forbedrer artsspecifik DNA-overførsel mellem Sulfolobus- celler for at reparere beskadiget DNA ved hjælp af homolog rekombination. Van Wolferen et al. bemærkede, at denne DNA -udvekslingsproces kan være afgørende under DNA -skadelige forhold såsom høje temperaturer. Det er også blevet foreslået, at DNA-overførsel i Sulfolobus kan være en tidlig form for seksuel interaktion svarende til de mere velstuderede bakterielle transformationssystemer, der involverer artsspecifik DNA-overførsel, der fører til homolog rekombinationsreparation af DNA-skader (og se Transformation (genetik) ).

Ekstracellulære membranvesikler (MV'er) kan være involveret i DNA -overførsel mellem forskellige hypertermofile arkeiske arter. Det er blevet vist, at både plasmider og virale genomer kan overføres via MV'er. Især er der blevet dokumenteret en vandret plasmidoverførsel mellem hypertermofile Thermococcus- og Methanocaldococcus -arter, der tilhører ordrerne Thermococcales og Methanococcales .

Se også

Referencer

Yderligere læsning

eksterne links