- Charakterystyka organizmów psychrofilnych
- Siedliska
- Adaptacje
- Rodzaje psychrofilów i przykłady
- Jednokomórkowe organizmy
- Organizmy wielokomórkowe
- Temperatury wzrostu i organizmy psychrofilne
- Methanococcoides burtonii
- Sphingopyxis alaskensis
- Zastosowania biotechnologiczne
- Bibliografia
Psychrofilowe jest podtypem ekstremofili charakteryzujących się niską wytrzymać temperatury, zwykle od -20 ° C do 10 ° C i stale zajmują zimno siedliska. Organizmy te to zwykle bakterie lub archeony, ale są też metazoany, takie jak porosty, glony, grzyby, nicienie, a nawet owady i kręgowce.
Zimne środowiska dominują w biosferze Ziemi i są skolonizowane przez liczne i różnorodne mikroorganizmy, które odgrywają potencjalnie krytyczną rolę w globalnych cyklach biogeochemicznych.
Liszaj Xanthoria elegans to dobrze znany psychrofil, który może fotosyntezować w temperaturach do -24 ° C. Zdjęcie wykonane w Albercie w Kanadzie. Źródło: Jason Hollinger via https://en.wikipedia.org/wiki/File:Xanthoria_elegans_97571_wb1.jpg
Oprócz wytrzymywania niskich temperatur organizmy psychrofilne muszą być również przystosowane do innych ekstremalnych warunków, takich jak wysokie ciśnienie, wysokie stężenia soli i wysokie promieniowanie ultrafioletowe.
Charakterystyka organizmów psychrofilnych
Siedliska
Główne siedliska organizmów psychrofilnych to:
-Polarne środowiska morskie.
-Bank lub lód morski.
-Polarne środowiska lądowe.
- Jeziora na dużej wysokości i szerokości geograficznej.
- Jeziora polodowcowe.
-Zimne regiony alpejskie.
-Nawierzchnie lodowców.
-Polarne pustynie.
-Głęboki ocean.
Adaptacje
Psychrofile są chronieni przed zamarzaniem poprzez różne adaptacje. Jedną z nich jest elastyczność ich błon komórkowych, którą uzyskują poprzez włączenie wysokiej zawartości krótkich i nienasyconych kwasów tłuszczowych do struktur ich błon lipidowych.
Efektem włączenia tych kwasów tłuszczowych jest obniżenie temperatury topnienia, przy jednoczesnym wzroście jego płynności i odporności.
Inną ważną adaptacją psychrofili jest synteza białek zapobiegających zamarzaniu. Białka te utrzymują wodę w organizmie w stanie ciekłym i chronią DNA, gdy temperatura spada poniżej punktu zamarzania wody. Zapobiegają również tworzeniu się lodu lub rekrystalizacji.
Rodzaje psychrofilów i przykłady
Jednokomórkowe organizmy
Różnorodność jednokomórkowych psychrofili jest bardzo duża, wśród nich można wymienić przedstawicieli większości linii bakteryjnych: Acidobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes, Chloroflexi, Cianobacteria, Firmicutes, Gemmatimonadetes, OP10 i Planctomycetes.
Ponadto Proteobacteria i Verrucomicrobia wykryto w Arktyce, Antarktydzie i w kriokonach alpejskich. Zostały również wykryte na Grenlandii, Kanadzie, Tybecie i Himalajach.
Wśród psychrofilnych cyjanobakterii znajdujemy Leptolvngbva, Phormidium i Nostoc. Inne popularne rodzaje to jednokomórkowe Aphanothece, Chroococcus i Charnaesiphon oraz nitkowate Oscillatoria, Microcoleus, Schizothrix, Anabaena, Calothrix, Crinalium i Plectonerna.
Organizmy wielokomórkowe
Wśród owadów psychrofilnych można wymienić rodzaj Diamesa pochodzący z Himalajów (Nepal), który pozostaje aktywny aż do osiągnięcia temperatury -16 ° C.
Znaleziono także bezskrzydłego komara Belgica Antarctica, o długości 2–6 mm, endemicznego dla Antarktydy. To jedyny owad na kontynencie, a także jedyne zwierzę wyłącznie lądowe.
Ryc. 2. Komar apteryczny Belgica antarctica, endemiczny owad Antarktydy. Źródło: Tasteofcrayons, źródło Wikimedia Commons
Kręgowce mogą być również psychrofilami. Niektóre przykłady obejmują niewielką liczbę żab, żółwi i węża, które wykorzystują zamrożenie wody pozakomórkowej (wody poza komórkami) jako strategię przetrwania w celu ochrony swoich komórek w okresie zimowym.
Nicień antarktyczny Panagrolaimus davidi może przetrwać zamarzanie wody wewnątrzkomórkowej, a następnie odrastać i rozmnażać się.
Również ryby z rodziny Channichthyidae - żyjące w zimnych wodach Antarktydy i południowej Ameryki - używają białek przeciw zamarzaniu, aby chronić swoje komórki przed całkowitym zamarznięciem.
Temperatury wzrostu i organizmy psychrofilne
Maksymalna temperatura wzrostu (T max ) organizmu jest najwyższa, jaką może tolerować. Natomiast optymalna temperatura (T opt ) dla wzrostu to taka, w której organizm rośnie szybciej.
Wszystkie organizmy, które przeżywają i rozwijają się w środowiskach o niskiej temperaturze, są ogólnie uważane za psychrofile. Jednak, jak wiemy, określenie psychrofile powinno być stosowane tylko do tych organizmów, których T max wynosi 20 ° C (to znaczy nie mogą przetrwać w wyższych temperaturach).
Mikroorganizmy zostały wyizolowane z bardzo zimnych obszarów, które mogą rosnąć w warunkach laboratoryjnych w temperaturze powyżej 20 ° C, co wskazuje, że chociaż są przystosowane do niskich temperatur, nie należy ich uważać za psychrofile. Te mikroorganizmy nazywane są „mezotolerancyjnymi”, to znaczy tolerują średnie temperatury.
Methanococcoides burtonii
Sphingopyxis alaskensis
Sphingopyxis alaskensis to bakteria wyizolowana z wód morskich półkuli północnej, gdzie panują temperatury 4–10 ° C. Z drugiej strony haloarchea, czyli archeony zamieszkujące wody silnie nasycone solą, rosną w temperaturze -20 ° C.
Pomimo dużej populacji w ich naturalnych siedliskach żaden z tych mikroorganizmów nie mógł być hodowany w laboratorium w temperaturze poniżej 4 ° C.
Z kolei S. alaskensis ma T max 45 ° C, a haloarchaea mogą rosnąć w temperaturach powyżej 30 ° C, więc nie można ich uznać za psychrofilne. Jednak ich populacje są dobrze przystosowane i są bardzo liczne na skrajnie zimnych obszarach.
Z powyższego można założyć, że istnieją inne ograniczające czynniki środowiskowe, które wpływają na przetrwanie tych organizmów w ich naturalnych siedliskach, a temperatura nie jest czynnikiem o największej wadze.
Zastosowania biotechnologiczne
Enzymy organizmów psychrofilnych charakteryzują się dużą aktywnością w niskich i umiarkowanych temperaturach. Ponadto enzymy te mają słabą stabilność termiczną.
Ze względu na te właściwości enzymy organizmów psychrofilnych są bardzo atrakcyjne do zastosowania w różnych procesach m.in. w przemyśle spożywczym, medycynie, biologii molekularnej, w przemyśle farmaceutycznym.
Bibliografia
- Cavicchioli, R. (2015). O pojęciu psychrofila. The ISME Journal, 10 (4), 793–795. doi: 10.1038 / ismej.2015.160
- Krembs, C. i Deming, JW (2008). Rola egzopolimerów w adaptacji drobnoustrojów do lodu morskiego. W: Margesin, R., Schirmer, F., Marx, J.-C. and Gerday, C. reds) Psychrophiles: from Biodiversity to Biotechnology. Springer-Verlag, Berlin, Niemcy, str. 247-264.
- Kohshima, S. (1984). Nowy, odporny na zimno owad znaleziony w himalajskim lodowcu. Naturę, 310 (5974), 225-227. doi: 10.1038 / 310225a0
- Margesin, R. (redaktor). (2017). Psychrofile: od bioróżnorodności do biotechnologii. Druga edycja. Springer Verlag, Heidelberg, Niemcy. s. 685.
- Miteva, V. (2008). Bakterie w śniegu i lodzie. W: Margesin, R. and Schirmer, F. (red.) Psychrophiles: from Biodiversity to Biotechnology. Springer Verlag, Heidelberg, Niemcy, s. 31-50.
- Cena, PB (2000). Siedlisko psychrofili w głębokim lodzie Antarktydy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 97, 1247-1251.