Экстремофил - Extremophile

Яркие цвета Гранд Призматический Весна , Йеллоустонский национальный парк , производятся термофилы , типа экстремофилы.

Экстремофилы (от латинского Extremus означает «крайний» и греческий филий ( φιλία ) означает «любовь») является организмом , который способен жить (или в некоторых случаях процветают ) в экстремальных условиях , т.е. среды, выживание делает сложным , таким , как из - за экстремальная температура , радиация , соленость или уровень pH .

Эти организмы являются экологически доминирующими в эволюционной истории планеты. Возникнув более 40 миллионов лет назад, экстремофилы продолжали процветать в самых экстремальных условиях, что сделало их одной из самых распространенных форм жизни.

Характеристики

Разнообразие экстремальных природных условий на Земле

В 1980-х и 1990-х годах биологи обнаружили, что микробная жизнь обладает большой гибкостью для выживания в экстремальных условиях - например, в кислых, чрезвычайно горячих нишах или в условиях нерегулярного давления воздуха - которые были бы совершенно негостеприимны для сложных организмов . Некоторые ученые даже пришли к выводу, что жизнь могла зародиться на Земле в гидротермальных жерлах далеко под поверхностью океана.

По словам астрофизика Стейна Сигурдссона, « на Земле были обнаружены жизнеспособные бактериальные споры , возраст которых составляет 40 миллионов лет, и мы знаем, что они очень устойчивы к радиации ». Некоторые бактерии были найдены живущими в холоде и темноте в озере, погребенном на полумиле подо льдом в Антарктиде , и в Марианской впадине , самом глубоком месте в океанах Земли. Экспедиции Международной программы открытия океана обнаружили микроорганизмы в отложениях при температуре 120 ° C, которые находятся на 1,2 км ниже морского дна в зоне субдукции Нанкайского прогиба . Было обнаружено, что некоторые микроорганизмы процветают в скалах на глубине до 1900 футов (580 м) ниже морского дна на глубине 8 500 футов (2600 м) у побережья северо-запада Соединенных Штатов. По словам одного из исследователей, «микробы можно найти повсюду - они чрезвычайно адаптируются к условиям и выживают, где бы они ни находились». Ключом к адаптации экстремофилов является их аминокислотный состав, влияющий на их способность к укладке белков в определенных условиях. Изучение экстремальных условий на Земле может помочь исследователям понять пределы обитаемости в других мирах.

Том Гейсенс из Гентского университета в Бельгии и некоторые из его коллег представили результаты исследований, которые показывают, что споры некоторых видов бактерий Bacillus выжили и оставались жизнеспособными после нагревания до температуры 420 ° C (788 ° F).

Пределы известной жизни на Земле.
Фактор Окружающая среда / источник Пределы Примеры
Высокая температура Подводные гидротермальные источники , океаническая кора От 110 ° C до 121 ° C Pyrolobus fumarii , Pyrococcus furiosus
Низкая температура Лед От -20 ° C до -25 ° C Synechococcus lividus
Щелочные системы Содовые озера pH > 11 Psychrobacter , Vibrio , Arthrobacter , Natronobacterium
Кислотные системы Вулканические источники, дренаж кислых шахт pH от -0,06 до 1,0 Бациллы , Clostridium paradoxum
Ионизирующее излучение Космические лучи , рентгеновские лучи , радиоактивный распад От 1500 до 6000 Гр Deinococcus radiodurans , Rubrobacter , Thermococcus gammatolerans
УФ-излучение Солнечный свет 5000 Дж / м 2 Deinococcus radiodurans , Rubrobacter , Thermococcus gammatolerans
Высокое давление Марианская впадина 1100 бар Pyrococcus sp.
Соленость Высокая концентрация соли а w ~ 0,6 Halobacteriaceae , Dunaliella salina
Обезвоживание Пустыня Атакама (Чили), Сухие долины Мак-Мердо (Антарктида) ~ 60% относительной влажности Хроококцидиопсис
Глубокая корочка доступ на некоторых золотых приисках Halicephalobus mephisto , Mylonchulus brachyurus , неопознанные членистоногие

Классификации

Есть много классов экстремофилов, которые обитают по всему миру; каждый соответствует тому, как его экологическая ниша отличается от мезофильных условий. Эти классификации не являются исключительными. Многие экстремофилы подпадают под несколько категорий и классифицируются как полиэкстремофилы . Например, организмы, живущие внутри горячих скал глубоко под поверхностью Земли, являются теплолюбивыми и пьезофильными, такими как Thermococcus barophilus . Полиэкстремофил, живущий на вершине горы в пустыне Атакама, может быть радиоустойчивым ксерофилом , психрофилом и олиготрофом . Полиэкстремофилы хорошо известны своей способностью переносить как высокие, так и низкие уровни pH .

Условия

Микроскопическое изображение из гиперсоленых Лейк Tyrrell (соленость> 20% вес / об), в которой эукариотической chlorophyte , дуналиелла солоноводная , может быть предварительно идентифицирован. Dunaliella salina коммерчески выращивается для получения каротиноида, β-каротина , который широко используется в качестве натурального пищевого красителя, а также в качестве предшественника витамина A. Наряду с ним есть галоархея Haloquadratum walsbyi , которая имеет плоские квадратные клетки с газовыми пузырьками, которые позволить всплыть на поверхность, с наибольшей вероятностью получить кислород.
Ацидофил
Организм с оптимальным ростом при уровне pH 3,0 или ниже.
Алкалифил
Организм с оптимальным ростом при уровне pH 9,0 или выше.
Анаэроб
Организм с оптимальным ростом при отсутствии молекулярного кислорода . Существует два подтипа: факультативный анаэроб и облигатный анаэроб . Факультативные анаэробы могут переносить бескислородных и условия в то время кислородной облигатные анаэробные умрет в присутствии даже низких уровней молекулярного кислорода .:

Капнофил

Организм с оптимальными условиями роста при высоких концентрациях углекислого газа. Примером может служить Mannheimia succiniciproducens , бактерия, обитающая в пищеварительной системе жвачных животных.

Криптоэндолит
Организм, который живет в микроскопических пространствах внутри горных пород, например в порах между зернами заполнителя. Их также можно назвать эндолитами - термин, который также включает организмы, населяющие трещины, водоносные горизонты и разломы, заполненные подземными водами в глубоких недрах.
Галофил
Организм с оптимальным ростом при концентрации растворенных солей 50 г / л (= 5% м / об) или выше.
Гиперпьезофил
Организм с оптимальным ростом при гидростатическом давлении выше 50 МПа (= 493 атм = 7,252 фунта на квадратный дюйм).
Гипертермофил
Организм с оптимальным ростом при температуре выше 80 ° C (176 ° F).
Гиполит
Организм, живущий под камнями в холодных пустынях .
Металлотолерантный
Способен переносить высокие уровни растворенных в растворе тяжелых металлов, таких как медь , кадмий , мышьяк и цинк . Примеры включают Ferroplasma sp., Cupriavidus Metallidurans и GFAJ-1 .
Олиготроф
Организм с оптимальным ростом в среде с ограниченным питанием.
Осмофил
Организм с оптимальным ростом в среде с высокой концентрацией сахара.
Пьезофил
Организм с оптимальным ростом при гидростатическом давлении выше 10 МПа (= 99 атм = 1450 фунтов на квадратный дюйм). Также называется барофилом .
Полиэкстремофил
Polyextremophile (лже Древний латинский / греческий язык для «привязанность многих крайностей») является организм , который квалифицируется как экстремофилы по более чем одной категории.
Психрофил / криофил
Организм с оптимальным ростом при температуре 15 ° C (59 ° F) или ниже.
Радиорезистентный
Организмы устойчивы к высоким уровням ионизирующего излучения , чаще всего ультрафиолетового излучения. В эту категорию также входят организмы, способные противостоять ядерной радиации .:

Сульфофил

Организм с оптимальными условиями роста при высоких концентрациях серы. Примером может служить Sulfurovum Epsilonproteobacteria , сероокисляющая бактерия, обитающая в глубоководных серных жерлах.

Термофил
Организм с оптимальным ростом при температуре выше 45 ° C (113 ° F).
Ксерофил
Организм с оптимальным ростом при активности воды ниже 0,8.

В астробиологии

Астробиология - это изучение происхождения , эволюции , распространения и будущего жизни во Вселенной : внеземной жизни и жизни на Земле . Астробиология использует физику , химию , астрономию , физику Солнца , биологию , молекулярную биологию , экологию , планетологию , географию и геологию, чтобы исследовать возможность жизни в других мирах и помочь распознать биосферы, которые могут отличаться от земных. Астробиологи особенно заинтересованы в изучении экстремофилов, поскольку это позволяет им сопоставить то, что известно об ограничениях жизни на Земле, с потенциальной внеземной средой. Например, аналогичные пустыни Антарктиды подвержены вредному УФ-излучению , низкой температуре, высокой концентрации соли и низкой концентрация минералов. Эти условия аналогичны условиям на Марсе . Следовательно, обнаружение жизнеспособных микробов в недрах Антарктиды предполагает, что могут существовать микробы, выжившие в эндолитических сообществах и живущие под поверхностью Марса. Исследования показывают, что маловероятно, что марсианские микробы существуют на поверхности или на небольшой глубине, но могут быть найдены на глубине около 100 метров.

В недавних исследованиях экстремофилов в Японии были задействованы различные бактерии, включая Escherichia coli и Paracoccus denitrificans, которые находятся в условиях экстремальной гравитации. Бактерии культивировали при вращении в ультрацентрифуге на высоких скоростях, соответствующих 403 627 g (то есть в 403 627 раз больше силы тяжести, испытываемой на Земле). Paracoccus denitrificans был одной из бактерий, которые продемонстрировали не только выживаемость, но и устойчивый рост клеток в этих условиях сверхускорения, которые обычно встречаются только в космических средах, например, на очень массивных звездах или в ударных волнах сверхновых . Анализ показал, что небольшой размер прокариотических клеток необходим для успешного роста в условиях гипергравитации . Исследование имеет значение для возможности панспермии .

26 апреля 2012 года , ученые сообщили , что лишайники выжили и показали замечательные результаты по адаптации мощности в фотосинтетической активности в пределах времени моделирования 34 дней при марсианских условиях в лаборатории Mars Simulation (MSL) , поддерживаемая Германский аэрокосмический центр (DLR).

29 апреля 2013 года , ученые в политехническом институте Rensselaer , финансируемой НАСА , сообщил , что во время космического полета на Международной космической станции , микробы , кажется, адаптироваться к космической среде в отношениях «не наблюдается на Земле» и таким образом , что «может привести к увеличивает рост и вирулентность ».

19 мая 2014 года ученые объявили, что многочисленные микробы , такие как Tersicoccus phoenicis , могут быть устойчивы к методам, обычно используемым в чистых помещениях для сборки космических кораблей . В настоящее время неизвестно, могли ли такие устойчивые микробы выдержать космические путешествия и присутствуют ли они на марсоходе Curiosity, который сейчас находится на планете Марс.

20 августа 2014 года ученые подтвердили существование микроорганизмов, живущих в полумиле подо льдом Антарктиды .

В сентябре 2015 года ученые из Национального исследовательского совета Италии CNR сообщили, что S.soflataricus смог выжить под марсианским излучением на длине волны, которая считалась чрезвычайно смертельной для большинства бактерий. Это открытие важно, потому что оно указывает на то, что не только споры бактерий, но и растущие клетки могут быть чрезвычайно устойчивыми к сильному УФ-излучению.

В июне 2016 года ученые из Университета Бригама Янга убедительно сообщил , что эндоспоры из Bacillus Сенная смогли выжить высокая скорость воздействия до 299 ± 28 м / с, экстремальных ударных и экстремального торможения. Они указали, что эта особенность может позволить эндоспорам выжить и перемещаться между планетами, путешествуя внутри метеоритов или испытывая нарушение атмосферы. Более того, они предположили, что посадка космического корабля может также привести к межпланетному переносу спор, учитывая, что споры могут пережить высокоскоростной удар при выбросе из космического корабля на поверхность планеты. Это первое исследование, в котором сообщается, что бактерии могут выжить при таком высокоскоростном ударе. Однако смертельная скорость удара неизвестна, и следует провести дальнейшие эксперименты, воздействуя на бактериальные эндоспоры с более высокой скоростью.

В августе 2020 года ученые сообщили, что бактерии, которые питаются воздухом, обнаруженные в 2017 году в Антарктиде , вероятно, не ограничиваются Антарктикой после обнаружения двух генов, ранее связанных с их «атмосферным хемосинтезом» в почве двух других подобных холодных пустынных мест, что дает дополнительную информацию по этому поводу. поглотитель углерода и еще больше усиливает свидетельства экстремофилов, подтверждающие возможное существование микробной жизни на чужих планетах.

В том же месяце ученые сообщили, что на основе исследований на Международной космической станции было обнаружено, что бактерии с Земли, особенно Deinococcus radiodurans , выживают в течение трех лет в космическом пространстве . Эти данные подтверждают представление о панспермии .

Однако было также показано, что эволюция наложила некоторые ограничения на экстремофилов как на аналоги жизни в других местах Солнечной системы и за ее пределами.

Биоремедиация

Экстремофилы также могут быть полезными игроками в биоремедиации загрязненных участков, поскольку некоторые виды способны к биоразложению в условиях, слишком экстремальных для классических видов-кандидатов на биоремедиацию. Антропогенная деятельность вызывает выброс загрязняющих веществ, которые потенциально могут оседать в экстремальных условиях, как в случае с хвостами и отложениями, выбрасываемыми в результате глубоководной добычи полезных ископаемых. В то время как большинство бактерий будут раздавлены давлением в этих средах, пьезофилы могут переносить эти глубины и могут метаболизировать вызывающие озабоченность загрязнители, если они обладают потенциалом биоремедиации.

Углеводороды

Есть несколько потенциальных мест назначения для углеводородов после того, как уляжется разлив нефти, и течения обычно откладывают их в экстремальных условиях. Метан пузырьки в результате разлива нефти Deepwater Horizon были найдены 1,1 км ниже уровня поверхности воды и при таких высоких концентраци х, как 183 μ моль на килограмм. Сочетание низких температур и высокого давления в этой среде приводит к низкой микробной активности. Однако было обнаружено , что присутствующие бактерии, в том числе виды Pseudomonas , Aeromonas и Vibrio, способны к биоремедиации, хотя и на одной десятой скорости, которую они могли бы выполнять при давлении на уровне моря. Полициклические ароматические углеводороды увеличивают растворимость и биодоступность с повышением температуры. Термофильные виды Thermus и Bacillus продемонстрировали более высокую экспрессию гена алканмонооксигеназы alkB при температурах, превышающих 60 ° C. Экспрессия этого гена является важным предшественником процесса биоремедиации. Было показано, что грибы, которые были генетически модифицированы ферментами, адаптированными к холоду, чтобы выдерживать различные уровни pH и температуры, эффективны для устранения загрязнения углеводородами в условиях замерзания в Антарктике.

Металлы

Было показано, что Acidithiubacillus ferroxidans эффективен в восстановлении ртути в кислой почве из-загена merA , который делает ее устойчивой к ртути. Промышленные сточные воды содержат большое количество металлов, которые могут нанести вред здоровью как человека, так и экосистем. Было показано, что вусловиях экстремальной жары экстремофил Geobacillus thermodenitrificans эффективно регулирует концентрацию этих металлов в течение двенадцати часов после введения. Некоторые ацидофильные микроорганизмы эффективны при восстановлении металлов в кислой среде благодаря белкам, обнаруженным в их периплазме, не присутствующим в каких-либо мезофильных организмах, что позволяет им защищаться от высоких концентраций протонов. Рисовые поля представляют собой среду с высокой окислительной способностью, которая может производить высокие уровни свинца или кадмия. Deinococcus radiodurans устойчивы к суровым условиям окружающей среды и поэтому являются видами-кандидатами для ограничения степени загрязнения этими металлами.

Кислотный шахтный дренаж

Кислотный дренаж шахт - серьезная экологическая проблема, связанная с деятельностью многих металлических рудников. Один из наиболее продуктивных методов ее устранения - интродукция организма-экстремофила Thiobacillus ferrooxidans .

Радиоактивные материалы

Любые бактерии, способные населять радиоактивные среды, можно отнести к экстремофилам. Поэтому радиорезистентные организмы имеют решающее значение для биоремедиации радионуклидов. Уран особенно сложно удерживать, когда он попадает в окружающую среду, и он очень вреден как для здоровья человека, так и для здоровья экосистемы. В рамках проекта NANOBINDERS бактерии, которые могут выжить в богатой ураном окружающей среде, получают последовательности генов, которые позволяют белкам связываться с ураном в сточных водах горнодобывающих предприятий, что делает их более удобными для сбора и утилизации.

Радиорезистентность также наблюдалась у некоторых видов макроскопических форм жизни. Смертельная доза, необходимая для уничтожения до 50% популяции черепах, составляет 40 000 рентген , по сравнению с 800 рентгенами, необходимыми для того, чтобы убить 50% человеческой популяции. В экспериментах по облучению чешуекрылых насекомых гамма-излучением значительное повреждение ДНК было обнаружено только при дозах 20 Гр и более, в отличие от клеток человека, которые показали аналогичные повреждения только при дозах 2 Гр.

Примеры и недавние выводы

Часто выявляются новые подтипы -филов, и список подкатегорий экстремофилов постоянно растет. Например, микробная жизнь обитает в озере с жидким асфальтом Pitch Lake . Исследования показывают, что экстремофилы обитают в асфальтовом озере численностью от 10 6 до 10 7 клеток / грамм. Точно так же до недавнего времени была неизвестна толерантность к бору, но у бактерий был обнаружен сильный борофил. В связи с недавней изоляцией Bacillus boroniphilus возникла дискуссия о борофилах. Изучение этих борофилов может помочь пролить свет на механизмы токсичности бора и его дефицита.

В июле 2019 года научное исследование шахты Кидд в Канаде обнаружило дышащие серой организмы, которые живут на глубине 7900 футов под поверхностью и которые дышат серой, чтобы выжить. Эти организмы также примечательны тем, что поедают камни, такие как пирит, в качестве обычного источника пищи.

Биотехнологии

Термоалкалифильная каталаза , которая инициирует расщепление перекиси водорода на кислород и воду, была выделена из организма Thermus brockianus , обнаруженного в Йеллоустонском национальном парке исследователями Национальной лаборатории Айдахо . Каталаза действует в диапазоне температур от 30 ° C до более 94 ° C и диапазоне pH от 6 до 10. Эта каталаза чрезвычайно устойчива по сравнению с другими каталазами при высоких температурах и pH. В сравнительном исследовании каталаза T. brockianus показала период полураспада 15 дней при 80 ° C и pH 10, в то время как каталаза, полученная из Aspergillus niger, имела период полураспада 15 секунд при тех же условиях. Каталаза найдет применение для удаления перекиси водорода в промышленных процессах, таких как отбеливание целлюлозы и бумаги, отбеливание текстиля, пастеризация пищевых продуктов и обеззараживание поверхности упаковки пищевых продуктов.

Ферменты, модифицирующие ДНК, такие как ДНК-полимераза Taq и некоторые ферменты Bacillus, используемые в клинической диагностике и разжижении крахмала, коммерчески производятся несколькими биотехнологическими компаниями.

Перенос ДНК

Известно, что более 65 видов прокариот обладают естественной способностью к генетической трансформации, способности переносить ДНК из одной клетки в другую с последующей интеграцией донорской ДНК в хромосому клетки-реципиента. Некоторые экстремофилы способны осуществлять видоспецифичный перенос ДНК, как описано ниже. Однако пока не ясно, насколько распространена такая способность среди экстремофилов.

Бактерия Deinococcus radiodurans - один из самых радиорезистентных известных организмов. Эта бактерия также может пережить холода, обезвоживание, вакуум и кислоту и поэтому известна как полиэкстремофил. D. radiodurans может выполнять генетическую трансформацию . Клетки-реципиенты способны восстанавливать повреждения ДНК в донорской трансформирующей ДНК, подвергшейся УФ-облучению, так же эффективно, как они восстанавливают клеточную ДНК при облучении самих клеток. Крайне термофильные бактерии Thermus thermophilus и другие родственные виды Thermus также способны к генетической трансформации.

Halobacterium volcanii , чрезвычайно галофильный (устойчивый к засолению ) археон, способен к естественной генетической трансформации. Цитоплазматические мостики образуются между клетками, которые, по-видимому, используются для передачи ДНК от одной клетки к другой в любом направлении.

Sulfolobus solfataricus и Sulfolobus acidocaldarius - гипертермофильные археи. Воздействие на эти организмы повреждающих ДНК агентов УФ-облучение, блеомицин или митомицин C вызывает видоспецифичную клеточную агрегацию. УФ-индуцированная агрегация клеток S. acidocaldarius опосредует обмен хромосомными маркерами с высокой частотой. Скорости рекомбинации превышают таковые в неиндуцированных культурах до трех порядков. Frols et al. и Ajon et al. предположили, что агрегация клеток усиливает видоспецифичный перенос ДНК междуклетками Sulfolobus с целью восстановления поврежденной ДНК посредством гомологичной рекомбинации. Van Wolferen et al. отметил, что этот процесс обмена ДНК может иметь решающее значение в условиях повреждения ДНК, таких как высокие температуры. Также было высказано предположение, что перенос ДНК у Sulfolobus может быть ранней формой полового взаимодействия, аналогичной более хорошо изученным системам бактериальной трансформации, которые включают видоспецифичный перенос ДНК, ведущий к гомологичной рекомбинационной репарации повреждений ДНК (и см. Трансформация (генетика)) ).

Внеклеточные мембранные везикулы (МВ) могут участвовать в переносе ДНК между разными гипертермофильными видами архей. Было показано, что как плазмиды, так и вирусные геномы могут передаваться через MV. Примечательно, что горизонтальный перенос плазмиды был задокументирован между гипертермофильными видами Thermococcus и Methanocaldococcus , соответственно принадлежащими к отрядам Thermococcales и Methanococcales .

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Wilson ZE, Brimble MA (январь 2009 г.). «Молекулы, происходящие из крайностей жизни». Отчеты о натуральных продуктах . 26 (1): 44–71. DOI : 10.1039 / b800164m . PMID  19374122 .
  • Росси М., Чьярамелла М., Каннио Р., Пизани Ф.М., Мораччи М., Бартолуччи С. (июль 2003 г.). «Экстремофилы 2002» . Журнал бактериологии . 185 (13): 3683–3689. DOI : 10.1128 / JB.185.13.3683-3689.2003 . PMC  161588 . PMID  12813059 .
  • К. Майкл Хоган (2010). «Экстремофил» . Энциклопедия Земли, Национальный совет по науке и окружающей среде, ред. Э. Моноссон и К. Кливленд .
  • Зекбах Дж., Орен А., Стэн-Лоттер Х, ред. (2013). Полиэкстремофилы: жизнь в условиях множественных стрессов . Дордрехт: Спрингер. ISBN 978-94-007-6488-0.

внешние ссылки