ACIDOPHILES: CHARAKTERYSTYKA, PRZYKŁADY MIKROORGANIZMÓW, ZASTOSOWANIA - BIOLOGIA - 2025

Organizmy kwasofilne to rodzaj mikroorganizmów (prokariotycznych lub eukariotycznych) zdolnych do rozmnażania się i życia w środowisku o wartości pH poniżej 3. W rzeczywistości termin acidophilus pochodzi z języka greckiego i oznacza „miłośnika kwasu”.

Środowiska te mogą pochodzić z działalności wulkanicznej z uwalnianiem gazów siarkowych lub mieszaniny tlenków metali z kopalni żelaza. Ponadto mogą być wytworem aktywności lub metabolizmu samych organizmów, które w celu przeżycia zakwaszają własne środowisko.

Kwaśne wody Rio Tinto służą jako siedlisko wielu różnorodnych mikroorganizmów kwaśnych, które nadają jej charakterystyczny kolor. Autor: Antonio de Mijas, Hiszpania, źródło Wikimedia Commons.

Organizmy zaliczane do tej kategorii również należą do dużej grupy organizmów ekstremofilnych, ponieważ rosną w środowiskach o bardzo kwaśnym pH. Gdzie większość komórek nie jest w stanie przetrwać.

Dodatkowo należy podkreślić, że ta grupa organizmów ma duże znaczenie z ekologicznego i ekonomicznego punktu widzenia.

Charakterystyka ogólna

Konkurencja, drapieżnictwo, mutualizm i synergia

Większość organizmów kwasofilnych rośnie i żyje w obecności tlenu. Istnieją jednak dowody na acidophilus, który może rozwijać się zarówno pod nieobecność, jak iw obecności tlenu.

Dodatkowo organizmy te ustanawiają różne rodzaje interakcji z innymi organizmami, takie jak konkurencja, drapieżnictwo, mutualizm i synergia. Przykładem są mieszane kultury acidophilus, które wykazują większy wzrost i wydajność utleniania minerałów siarkowych niż poszczególne kultury.

Zgaga, problem do rozwiązania

Wydaje się, że kwaskowate mają wspólne charakterystyczne cechy strukturalne i funkcjonalne, które pozwalają im neutralizować kwasowość. Obejmują one wysoce nieprzepuszczalne błony komórkowe, wysoką wewnętrzną zdolność regulacyjną i unikalne systemy transportowe.

Ponieważ acidofile żyją w środowisku, w którym stężenie protonów jest wysokie, opracowali systemy pomp odpowiedzialne za wyrzucanie protonów na zewnątrz. Dzięki tej strategii pH wnętrza bakterii jest bardzo zbliżone do obojętnego.

Organizmy kwasofilne opracowały system pomp protonowych, które pozwalają im wypompowywać protony na zewnątrz i utrzymywać wewnątrzkomórkowe pH bliskie obojętnemu. PhilMacD, źródło Wikimedia Commons.

Jednak w kopalniach o dużej zawartości kwasu siarkowego wykryto mikroorganizmy bez ściany komórkowej, co wskazuje, że nawet bez tej ochrony są one narażone na działanie wysokich stężeń protonów.

Z drugiej strony, ze względu na ekstremalne warunki, na jakie narażone są tego typu mikroorganizmy, muszą one zagwarantować, że wszystkie ich białka są funkcjonalne i nie są zdenaturowane.

W tym celu syntetyzowane białka mają dużą masę cząsteczkową, dzięki czemu między tworzącymi je aminokwasami występuje większa liczba wiązań. W ten sposób zerwanie wiązań staje się trudniejsze, a struktura białka jest bardziej stabilna.

Wysoka nieprzepuszczalność membrany

Gdy protony dostaną się do cytoplazmy, organizmy kwasofilne muszą wdrożyć metody, które pozwolą im złagodzić skutki obniżonego wewnętrznego pH.

Aby pomóc w utrzymaniu pH, acidofile mają nieprzepuszczalną błonę komórkową, która ogranicza wnikanie protonów do cytoplazmy. Wynika to z faktu, że błona archeonów acidofilnych składa się z innych typów lipidów niż te występujące w bakteriach i błonach komórek eukariotycznych.

U archeonów fosfolipidy mają region hydrofobowy (izopenoidalny) i region polarny utworzony ze szkieletu glicerolu i grupy fosforanowej. W każdym razie połączenie jest spowodowane wiązaniem eterowym, które generuje większą odporność, szczególnie w wysokich temperaturach.

Ponadto w niektórych przypadkach archeony nie mają dwuwarstw, ale raczej produkt połączenia dwóch łańcuchów hydrofobowych, tworzą monowarstwę, w której jedyna cząsteczka dwóch grup polarnych daje im większą odporność.

Z drugiej strony, pomimo faktu, że fosfolipidy tworzące błony bakterii i eukariotów zachowują tę samą strukturę (region hydrofobowy i polarny), wiązania są typu estrowego i tworzą dwuwarstwę lipidową.

Ważność

Organizmy kwasofilne mają potencjalne znaczenie w ewolucji, ponieważ niskie pH i bogate w metale warunki, w których rosną, mogły być podobne do podmorskich warunków wulkanicznych na wczesnej Ziemi.

Tak więc organizmy kwasofilne mogą reprezentować pierwotne relikty, z których wyewoluowało bardziej złożone życie.

Dodatkowo, ponieważ procesy metaboliczne mogły powstać na powierzchni minerałów siarczkowych, prawdopodobnie strukturyzacja DNA tych organizmów mogła mieć miejsce przy kwaśnym pH.

Regulacja w organizmach kwasofilnych

Regulacja pH jest niezbędna dla wszystkich organizmów, dlatego kwasofile muszą mieć wewnątrzkomórkowe pH bliskie obojętnemu.

Jednak organizmy kwasofilne są w stanie tolerować gradienty pH kilku rzędów wielkości, w porównaniu z organizmami, które rosną tylko przy pH bliskim obojętnemu. Przykładem jest Thermoplasma acidophilum, który jest zdolny do życia przy pH 1,4, utrzymując wewnętrzne pH na poziomie 6,4.

Interesującą rzeczą dotyczącą organizmów kwasofilnych jest to, że wykorzystują ten gradient pH do wytwarzania energii za pomocą siły napędowej protonów.

Przykłady mikroorganizmów kwasofilnych

Organizmy kwasofilne występują głównie w bakteriach i archeonach i biorą udział w licznych cyklach biogeochemicznych, w tym cyklach żelaza i siarki.

Wśród pierwszych mamy Ferroplasma acidarmanus, który jest archa zdolnym do wzrostu w środowiskach o pH bliskim zeru. Inne prokarioty to Picrophilus oshimae i Picrophilus torridus, które również są ciepłolubne i rosną w japońskich kraterach wulkanicznych.

Mamy również kilka kwasofilnych eukariontów, takich jak Cyanidyum caldariuym, który jest zdolny do życia przy pH bliskim zeru, utrzymując wnętrze komórki na prawie neutralnym poziomie.

Acontium cylatium, Cephalosporium sp. i Trichosporon cerebriae, to trzy eukarionty z Królestwa Grzybów. Inne, równie interesujące, to Picrophilus oshimae i Picrophilus torridus.

Aplikacje

Wymywanie

Ważną rolą mikroorganizmów kwasofilnych jest ich biotechnologiczne zastosowanie, zwłaszcza w ekstrakcji metali z minerałów, co w znacznym stopniu ogranicza zanieczyszczenia, które są generowane tradycyjnymi metodami chemicznymi (ługowanie).

Proces ten jest szczególnie przydatny w górnictwie miedzi, gdzie np. Thobacillus sulfolobus może działać jako katalizator i przyspieszać tempo utleniania siarczanu miedzi powstającego podczas utleniania, wspomagając rozpuszczanie metalu.

Przemysł spożywczy

Organizmy kwasofilne zawierają enzymy o znaczeniu przemysłowym, będące źródłem enzymów stabilnych w środowisku kwasowym, które mają zastosowanie jako smary.

Dodatkowo w przemyśle spożywczym do produkcji amylaz i glukoamylaz stosuje się przetwórstwo skrobi, piekarnie, przetwórstwo soków owocowych.

Ponadto znajdują szerokie zastosowanie w produkcji proteaz i celulaz, które są wykorzystywane jako składniki pasz dla zwierząt oraz do wytwarzania produktów farmaceutycznych.

Bibliografia

1. Baker-Austin C, Dopson M. Life in acid: pH homeostasis in acidophiles. Trends Microbiol. 2007; 15 (4): 165–71.
2. Edwards KJ, Bond PL, Gihring TM, Banfield JF. Ekstremalnie kwaskowaty, utleniający żelazo, ważny w odwadnianiu kopalni kwasu. Nauka. 2000; 287: 1796-1799.
3. Horikoshi K. Alkaliphiles: Niektóre zastosowania ich produktów w biotechnologii. Recenzje mikrobiologii i biologii molekularnej. 1999; 63: 735–750.
4. Kar NS, Dasgupta AK. Możliwa rola ładunku powierzchniowego w organizacji błony u kwasofila Indianina. Journal of Biochemistry and Biophysics. 1996; 33: 398-402.
5. Macalady JL, Vestling MM, Baumler D, Boekelheide N, Kaspar CW, Banfield JF. Monowarstwy błony połączone tetraeterem w Ferroplasma spp: klucz do przetrwania w kwasie. Ekstremofile. 2004; 8: 411-419
6. Madigan MT, Martinko JM, Parker J. 2003. Różnorodność prokariotyczna: Archea. W: Madigan MT, Martinko JM, Parker J. (red.). Brock Mikrobiologia mikroorganizmów. Dziesięć edycji. Ed. Pearson-Prentice Hall, Madryt, str. 741–766.
7. Schleper C, Pühler G, Kühlmorgen B, Zillig W.Żywotność przy ekstremalnie niskim pH. Natura. 1995; 375: 741-742.
8. Wiegel J, Keubrin UV. Alkalitermofile. Transakcje Towarzystwa Biochemicznego. 2004; 32: 193-198.