Różne ich grupy wyspecjalizowały się w celu przetrwania w odmiennych środowiskach, gdzie zazwyczaj dominuje jeden szkodliwy dla innych czynnik. W ten sposób spośród nich wydzielono termofile zdolne do przeżycia w temperaturze osiągającej nawet ponad 100°C; oraz będące ich przeciwieństwem psychrofile, które mogą przeżyć w bardzo niskich temperaturach. Termofile bytują na przykład w bogatych w siarkę źródłach wulkanicznych. Większość organizmów umiera w tak wysokich temperaturach, gdyż ich DNA nie może utrzymać struktury podwójnej helisy. Psychrofile z kolei przystosowały się do swojego środowiska, na przykład produkując specjalne białka ochronne (cold shock proteins, w skrócie CSP). Są też halofile, zamieszkujące mocno zasolone środowiska, jak na przykład Wielkie Jezioro Słone w USA, czy też Morze Martwe. Archeowce z rodzaju Halobacterium mają specjalnie skonstruowaną błonę komórkową i białka, przez co lepiej funkcjonują w słonym środowisku, jednak nie są w stanie przeżyć, jeśli zasolenie spadnie poniżej 9%.
Kolejne ważne grupy ekstremofilów to acydofile i alkalifile. Te pierwsze preferują środowiska o kwaśnym pH, o wartościach nawet poniżej 3, te drugie z kolei zamieszkują środowiska o odczynie zasadowym (pH > 10). Wyodrębniono również inne grupy organizmów ekstremofilnych, ale mimo tego, że są one mniej poznane od tych wymienionych do tej pory, nie znaczy to, że są mniej istotne z biotechnologicznego punktu widzenia. Wśród nich można wyróżnić:
- piezofile - wytrzymujące duże ciśnienie (> 40 MPa), zamieszkują głownie głębiny oceaniczne
- radiofile – ponadprzeciętnie odporne na działanie promieniowanie jonizującego i ultrafioletowego
- osmofile – zamieszkujące miejsca gdzie wysokie stężenie cukrów wywiera zabójcze dla większości ciśnienie osmotyczne
- metalofile – odporne na wysokie stężenie metali ciężkich
- xerofile – znajdywane na pustyniach i miejscach z ograniczonym dostępem do wody
- mikroaerofile – żyją wyłącznie w miejscach z niskim stężeniem tlenu
- endolity – mieszkają w podziemnych jaskiniach i skałach
- toksytoleranty – nie przeszkadza im duża ilość toksycznych odpadów, znajdą się wśród nich na przykład organizmy, które odnaleziono w rdzeniu reaktora jądrowego
Większość ekstremofilów to prokarionty, choć tego typu organizmy zdarzają się również wśród eukariontów. Do tych ekstremalnych organizmów zaliczały się pierwsze odkryte archeowce i do tej pory stanowią one najliczniejszą poznaną grupę organizmów ekstremofilnych.
Gejzer w parku Yellowstone - idealne miejsce na poszukiwanie ekstremofilów
Jak udało się do tej pory wykorzystać ekstremofile? Najczęściej przytaczanym przykładem jest termostabilna polimeraza DNA pozyskana z bakterii Thermus aquaticus, nazywana polimerazą Taq właśnie od nazwy tego drobnoustroju. Używa się jej w laboratoriach na całym świecie do przeprowadzania PCR. Poza tym, dzięki badaniom nad termofilami poznano i z powodzeniem wykorzystano enzymy proteolityczne, lipolityczne, a także polisacharydazy w diagnostyce medycznej, jako detergenty odporne na działanie wysokich temperatur, a także w piekarniach czy przy produkcji piwa. Psychrofile również dostarczyły wielu enzymów wykorzystywanych na szeroką skalę do produkcji detergentów, dodawanych na przykład do proszków do prania, które wykazują wysoką aktywność w niskich temperaturach. Oprócz tego uzyskiwane z nich lipazy i proteazy wykorzystuje się przy produkcji serów i innych produktów otrzymywanych z mleka; z kolei wielonienasycone kwasy tłuszczowe znajdują zastosowanie w formie dodatków do żywności dietetycznej. Ciekawe zastosowanie wymyślono dla mikroorganizmów zaliczanych do acydofilów, które potrafią utleniać siarkę. Wykorzystuje się je w górnictwie do odsiarczania wydobywanego węgla kamiennego.
Szerokie zastosowanie znalazły pozyskiwane z ekstremofilów osmoprotektanty, nazywane w ich przypadku ekstremolitami. Są to związki, które ekstremofil wytwarza w odpowiedzi na stres środowiskowy. Najszerzej stosowanym związkiem zaliczającym się do tej grupy jest ektoina (z ang. ectoine). Wykorzystywana jest jako składnik aktywny w środkach do pielęgnacji skóry oraz do ochrony przeciwsłonecznej. W branży spożywczej z kolei do zwiększenia stabilności i świeżości żywności. Wykazano również, że może korzystnie wpływać na bakterie wykorzystywane podczas procesów fermentacyjnych, aby zwiększyć ich wydajność (na przykład podczas fermentacji sosu sojowego).
Również pewne wytwarzane przez ekstremofile polimery znalazły już swoje zastosowanie. Polihydroksyalkanoaty (PHA) są biodegradowalnymi polimerami, które przyciągnęły uwagę naukowców z powodu podobieństwa do konwencjonalnych plastików otrzymywanych petrochemicznie. Do ich potencjalnych zastosowań można zaliczyć materiały opatrunkowe i szwy, jednorazowe produkty o zastosowaniu medycznym, czy systemy kontrolowanego uwalniania leków.
Podsumowując, badania nad ekstremofilami ujawniły ich ogromny potencjał w stosunkowo krótkim czasie. Obecnie znaleziono już wiele zastosowań dla związków przez nie produkowanych, a perspektywy na przyszłość są jeszcze bardziej obiecujące. Biorąc pod uwagę, że mikroorganizmy stanowią około 50% gatunków zamieszkujących Ziemię, a do tej pory poznano około 5-10% z nich, to, mimo że nie wszystkie z nich są ekstremofilami, możemy tylko przypuszczać ile jeszcze tajemnic tylko czeka na swoje odkrycie i być może okaże się pomocnych dla dalszego rozwoju ludzkości.
Przeczytaj również:
Prosta zmiana, duże korzyści - przekonują twórcy nowej odmiany modyfikowanej kukurydzy
Epigenetyka nowotworów - czy nowe odkrycia pomogą w walce z chorobą?
red. Tomasz Domagała
Portal Biotechnologia.pl
Źródła:
Campbell N., Reece J., Urry L., Cain M., Wasserman S., Minorsky P., Jackson R. (2012) Biologia 566-567
http://www.celsias.com/
http://serc.carleton.edu/
KOMENTARZE