HALOFILE: KLASYFIKACJA, OSMOZA, ZASTOSOWANIA, PRZYKŁADY - BIOLOGIA - 2026

Do organizmów halofilowe to kategoria mikroorganizmów zarówno prokarioty i eukarioty, zdolnego do powielania i tworzenia w środowisku o wysokim stężeniu soli, na przykład wody morskiej, a hipersłony obszarach pustynnych. Termin halofil pochodzi od greckich słów aalo i filo, co oznacza „miłośnik soli”.

Organizmy zaliczane do tej kategorii również należą do dużej grupy organizmów ekstremofilnych, ponieważ rozmnażają się w siedliskach skrajnie zasolonych, gdzie większość żywych komórek nie byłaby w stanie przetrwać.

Salinas, środowiska o ekstremalnym zasoleniu, w których namnażają się ekstremalne komórki halofilne. H. Zell, źródło Wikimedia Commons.

W rzeczywistości ogromna większość istniejących komórek szybko traci wodę po wystawieniu na działanie pożywek bogatych w sól i to właśnie odwodnienie w wielu przypadkach szybko prowadzi do śmierci.

Zdolność organizmów halofilnych do życia w tych środowiskach wynika z faktu, że potrafią one zrównoważyć swoje ciśnienie osmotyczne w stosunku do środowiska i utrzymać swoją izosmotyczną cytoplazmę ze środowiskiem zewnątrzkomórkowym.

Zostały one sklasyfikowane na podstawie stężenia soli, w którym mogą żyć w ekstremalnych, umiarkowanych, słabych i halotolerancyjnych halofilach.

Niektórymi przedstawicielami halofilnych są algi zielone Dunaliella salina, skorupiaki z rodzaju Artemia lub pchła wodna oraz grzyby Aspergillus penicillioides i Aspergillus terreu.

Klasyfikacja

Nie wszystkie organizmy halofilne są zdolne do namnażania się w szerokim zakresie stężeń soli. Wręcz przeciwnie, różnią się stopniem zasolenia, które są w stanie tolerować.

Ten poziom tolerancji, który waha się między bardzo określonymi stężeniami NaCl, posłużył do zaklasyfikowania ich jako halofilów ekstremalnych, umiarkowanych, słabych i halotolerujących.

Do grupy ekstremalnych halofilów należą wszystkie organizmy zdolne do zasiedlania środowisk, w których stężenie NaCl przekracza 20%.

Po nich następują umiarkowane halofile, które rozmnażają się przy stężeniach NaCl między 10 a 20%; i słabe halofile, które robią to przy niższych stężeniach, wahających się od 0,5 do 10%.

Wreszcie halotolerantes to organizmy, które są w stanie utrzymać tylko niskie stężenia soli.

Osmoza i zasolenie

Istnieje wiele różnych prokariotycznych halofilów zdolnych do wytrzymania wysokich stężeń NaCl.

Ta zdolność do przeciwstawiania się warunkom zasolenia, które różnią się od niskiego, ale wyższego niż te, które większość żywych komórek jest w stanie tolerować, do bardzo ekstremalnych, została uzyskana dzięki opracowaniu wielu strategii.

Główną lub centralną strategią jest unikanie konsekwencji procesu fizycznego znanego jako osmoza.

Zjawisko to odnosi się do ruchu wody przez półprzepuszczalną membranę, z miejsca o niskim stężeniu substancji rozpuszczonych do miejsca o wyższym stężeniu.

Dlatego jeśli w środowisku pozakomórkowym (środowisku, w którym rozwija się organizm) stężenie soli będzie wyższe niż w jego cytozolu, będzie on tracił wodę na zewnątrz i odwadniał się na śmierć.

W międzyczasie, aby uniknąć utraty wody, przechowują wysokie stężenia substancji rozpuszczonych (soli) w swojej cytoplazmie, aby skompensować skutki ciśnienia osmotycznego.

Adaptacyjne strategie radzenia sobie z zasoleniem

Bakterie halofilne. Autor: Maulucioni na podstawie obrazów z Commons, z Wikimedia Commons.

Niektóre ze strategii stosowanych przez te organizmy to: synteza enzymów zdolnych do utrzymania swojej aktywności przy wysokich stężeniach soli, fioletowe błony umożliwiające wzrost poprzez fototrofię, czujniki regulujące odpowiedź fototaktyczną, takie jak rodopsyna, oraz pęcherzyki gazowe, które sprzyjają ich wzrostowi. flotacja.

Ponadto należy zauważyć, że środowiska, w których rosną te organizmy, są dość zmienne, co stwarza zagrożenie dla ich przetrwania. Dlatego opracowują inne strategie dostosowane do tych warunków.

Jednym ze zmieniających się czynników jest stężenie substancji rozpuszczonych, które jest ważne nie tylko w środowiskach hipersalinowych, ale w każdym środowisku, w którym deszcze lub wysokie temperatury mogą powodować wysuszanie, a w konsekwencji wahania osmolarności.

Aby poradzić sobie z tymi zmianami, mikroorganizmy halofilne opracowały dwa mechanizmy, które pozwalają im utrzymać hiperosmotyczną cytoplazmę. Jeden z nich nazywa się „soleniem”, a drugi „wysalaniem”

Mechanizm zasolenia

Mechanizm ten realizowany jest przez Archeas i Haloanaerobiales (bakterie ściśle beztlenowe, umiarkowanie halofilne) i polega na podniesieniu wewnętrznego stężenia KCl w ich cytoplazmie.

Jednak wysokie stężenie soli w cytoplazmie doprowadziło ich do przystosowania molekularnego do normalnego funkcjonowania enzymów wewnątrzkomórkowych.

Te adaptacje zasadniczo polegają na syntezie białek i enzymów bogatych w aminokwasy kwasowe i ubogich w aminokwasy hydrofobowe.

Ograniczeniem dla tego typu strategii jest to, że organizmy, które ją wykonują, mają słabą zdolność przystosowania się do nagłych zmian osmolarności, ograniczając ich wzrost do środowisk o bardzo wysokich stężeniach soli.

Mechanizm wysalania

Mechanizm ten jest wykorzystywany zarówno przez bakterie halofilne, jak i niehalofilne, a także przez umiarkowane halofilne archeony metanogenne.

W tym przypadku mikroorganizm halofilny dokonuje równowagi osmotycznej za pomocą małych cząsteczek organicznych, które mogą być przez niego syntetyzowane lub pobierane z pożywki.

Tymi cząsteczkami mogą być poliole (takie jak gliceryna i arabinitol), cukry, takie jak sacharoza, trehaloza lub glukozyloglicerol lub aminokwasy i pochodne czwartorzędowych amin, takich jak glicyno-betaina.

Wszystkie mają wysoką rozpuszczalność w wodzie, nie posiadają ładunku przy fizjologicznym pH i mogą osiągać wartości stężeń, które pozwalają tym mikroorganizmom na utrzymanie równowagi osmotycznej ze środowiskiem zewnętrznym bez wpływu na funkcjonowanie ich własnych enzymów.

Dodatkowo cząsteczki te mają zdolność stabilizowania białek przed wysoką temperaturą, wysychaniem lub zamarzaniem.

Aplikacje

Mikroorganizmy halofilne są bardzo przydatne do otrzymywania cząsteczek do celów biotechnologicznych.

Hodowla tych bakterii nie sprawia większych trudności ze względu na niskie wymagania żywieniowe ich pożywek. Ich tolerancja na wysokie stężenia soli minimalizuje ryzyko zakażenia, co czyni je bardziej korzystnymi organizmami alternatywnymi niż E. coli.

Dodatkowo, łącząc swoje możliwości produkcyjne z odpornością na ekstremalne warunki zasolenia, mikroorganizmy cieszą się dużym zainteresowaniem jako źródło produktów przemysłowych, zarówno w branży farmaceutycznej, kosmetycznej, jak i biotechnologicznej.

Kilka przykładów:

Enzymy

Wiele procesów przemysłowych jest rozwijanych w ekstremalnych warunkach, co daje pole do zastosowania dla enzymów wytwarzanych przez mikroorganizmy ekstremofilne, zdolnych do działania w ekstremalnych wartościach temperatury, pH lub zasolenia. W ten sposób opisano amylazy i proteazy, stosowane w biologii molekularnej.

Polimery

Podobnie bakterie halofilne są producentami polimerów o właściwościach surfaktantowych i emulgujących, które mają duże znaczenie w przemyśle naftowym, ponieważ przyczyniają się do wydobywania ropy naftowej z podłoża.

Zgodne substancje rozpuszczone

Substancje rozpuszczone, które te bakterie gromadzą w swojej cytoplazmie, mają wysoką stabilizującą i ochronną moc enzymów, kwasów nukleinowych, błon, a nawet całych komórek, przed zamarzaniem, wysuszaniem, denaturacją termiczną i wysokim zasoleniem.

Wszystko to zostało wykorzystane w technologii enzymatycznej, a także w przemyśle spożywczym i kosmetycznym, aby przedłużyć żywotność produktów.

Biodegradacja odpadów

Bakterie halofilne mogą rozkładać toksyczne odpady, takie jak pestycydy, farmaceutyki, herbicydy, metale ciężkie oraz procesy ekstrakcji ropy i gazu.

Żywność

W dziedzinie żywności uczestniczą w produkcji sosu sojowego.

Bibliografia

1. Dennis PP, Shimmin LC. Ewolucyjna dywergencja i selekcja zależna od zasolenia w halofilnych Archaea. Microbiol Mol Biol Rev. 1997; 61: 90-104.
2. González-Hernández JC, Peña A. Strategie adaptacyjne mikroorganizmów halofilnych i Debaryomyces hansenii (drożdże halofilne). Latin American Journal of Microbiology. 2002; 44 (3): 137-156.
3. Oren A. Bionergetyczne aspekty halofilizmu. Microbiol Mol Biol Rev. 1999; 63: 334-48.
4. Ramírez N, Sandoval AH, Serrano JA. Bakterie halofilne i ich zastosowania biotechnologiczne. Rev Soc Ven Microbiol. 2004; 24: 1-2.
5. Wood JM, Bremer E, Csonka LN, Krämer R, Poolman B, Van der Heide T, Smith LT. Akumulacja substancji rozpuszczonych przez bakterie, powodująca zmiękczanie i osmoregulację. Comp Biochem Physiol. 2001; 130: 437-460.