Termofile, bo o nich jest tu mowa, to mikroorganizmy zdolne do życia w temperaturze od 45 do 80°C, wyróżnia się również hipertermofile, dla których idealna temperatura do rozwoju wynosi powyżej 80°C.

Pierwsze mikroorganizmy termofilne odkryto w 1966 roku w gorących źródłach Parku Narodowego Yellowstone. Od tego czasu izolowane są z różnych środowisk na całym świecie. Występują w morskich i lądowych ekosystemach aktywnych geotermalnie (gejzery, osady przy kominach hydrotermalnych), pryzmach kompostowych, glebie, a także w jelitach niektórych zwierząt.

Nie dać się ugotować!

Wzrost tych drobnoustrojów w wysokich temperaturach, zabójczych lub statycznych dla innych organizmów, jest uwarunkowany opornością ich białek enzymatycznych i strukturalnych na denaturację termiczną (często w komórce białka te są związane w supercząsteczkowe struktury stabilizujące). Ich RNA zwykle zawiera więcej cytozyny i guaniny, będąc przez to ciepłoodporniejsze, zaś DNA stabilizowane jest przez wprowadzeniu dodatkowych superskrętów oraz obecność niektórych soli – difosfoinozytolu potasu i difosfoglicerynianu potasu.  Również rybosomy tych mikroorganizmów nieraz są ciepłoodporne. Stwierdzono, że składniki komórkowe termofili wrażliwe na działanie podwyższonej temperatur wykazują właściwości przyspieszonej resyntezy, dzięki czemu ich ubytki, spowodowane rozkładem lub inaktywacją, mogą być w krótkim czasie uzupełnione. Możliwość wzrostu termofili w środowiskach o tak wysokich temperaturach jest również uwarunkowana wyraźnie większym udziałem lipidów w błonie cytoplazmatycznej niż u większości mezofili. Stwierdzono również, że ich błona cytoplazmatyczna zawiera lipidy o wyższej temperaturze topnienia, jak też więcej nasyconych kwasów tłuszczowych w porównaniu z lipidami mikroorganizmów ciepłowrażliwych.

Granice (prze)życia?

„Przez długi czas za rekordzistę wśród termofili uznawany był Thermus aquaticus, zdolny do optymalnego wzrostu w temperaturze 75^°C, który został wyizolowany w 1969 roku przez zespół badawczy T. D. Brocka. Następnym rekordzistą przez wiele lat był Pyrolobus fumarii, rosnący w temperaturze powyżej 113^°C. Obecnie najwyższą temperaturą, w jakiej mogą przetrwać mikroorganizmy jest 121°C (szczep archeona nazwany „121”), co nie oznacza, że granica przetrwania nie jest wyższa.” – mówi Pani dr Marta Sochacka-Piętal, mikrobiolog z Katedry Biochemii i Biotechnologii Politechniki Rzeszowskiej.

Wytrwale zmienne mikroby.

„Mikroorganizmy, w tym bakterie i archeony, słyną ze swojego rozpowszechnienia w różnorodnych środowiskach. Zasiedlane przez nie ekosystemy często charakteryzują się ekstremalnymi warunkami, w których inne formy życia (np. rośliny i zwierzęta) nie są w stanie się rozwijać. Możliwość tak ogromnej ekspansji mikroorganizmy zawdzięczają między innymi małym rozmiarom, krótkiemu czasowi generacji, plastyczności metabolicznej oraz wytwarzaniu form przetrwalnych. Wielu cennych informacji na temat zdolności adaptacyjnych bakterii i archeonów dostarczyły analizy porównawcze sekwencji ich kompletnych genomów. Okazało się, iż nie są to, jak wcześniej sądzono, struktury monolityczne, a wręcz przeciwnie – ulegają nieustannym rearanżacjom strukturalnym. Za owe rearanżacje (inwersje, delecje, insercje, duplikacje, fuzje replikonowe) odpowiedzialne są głównie tzw. elementy transpozycyjne, obecne w niemal wszystkich zsekwencjonowanych do tej pory genomach mikroorganizmów. Wpływ na ewolucję mikroorganizmów ma bez wątpienia również zachodzenie różnego rodzaju zdarzeń transferu horyzontalnego genów między różnymi, często niespokrewnionymi filogenetycznie, gatunkami, przy czym transferowi ulegają bardzo często geny metaboliczne. Warto podkreślić, iż przeniesienie nawet jednego bądź kilku genów tego typu może dać biorcy możliwość nabycia korzystnej funkcji, pozwalającej na wykorzystanie nowej niszy ekologicznej. W przypadku ekosystemów charakteryzujących się wysoką presją selekcyjną (np. wysoką temperaturą) ma to szczególne znaczenie, często daje bowiem gospodarzom możliwość szybkiej adaptacji.” – kontynuuje Pani Doktor Sochacka-Piętal.

Zaprzęgnąć bakterie do pracy!

Mikroorganizmy były wykorzystywane przez człowieka od niepamiętnych czasów mimo, że on sam o tym nie wiedział. Ich enzymy stosowaliśmy i nadal stosujemy do pieczenia, produkcji browarów, alkoholów i serów. Podobnie jest i z termofilami, które od momentu odkrycia stanowią nieustannie szerokie pole poszukiwań i badań pod kątem izolacji i sposobu wykorzystania zawartych w nich białek o unikatowych właściwościach.

Szerokie zainteresowanie wśród badaczy budzą przede wszystkim enzymy wyizolowane z termo- i hipertermofili, m. in. ze względu na ich termostabilność i aktywność w wysokich temperaturach. Wiele reakcji, w tym syntez, zachodzi w warunkach podwyższonej temperatury, gdzie obserwujemy wzrost rozpuszczalności reagentów, szczególnie polimerów, a także spadek ryzyka zakażenia mikroorganizmami w czasie procesów produkcyjnych. Głównie poszukiwane są enzymy takie jak: proteazy (pieczenie, warzenie piwa, detergenty – termofile 65-85°C), lipazy, polimerazy DNA (inżynieria genetyczna, technika PCR – hipertermofile powyżej 85°C), celulazy, chitynazy, ksylanazy (obróbka papieru) i amylazy. Odbiorcami enzymów na szeroką skalę jest przemysł: środków piorących, spożywczy, paszowy, odzieżowy, skórzany, papierniczy i farmaceutyczny.

Największym użytkownikiem enzymów amylolitycznych, które hydrolizują i przekształcają skrobię w glukozę i inne produkty, jest przemysł cukrowniczy. Celulazy mają swoje zastosowanie głównie do zmiękczania tkanin i wstępnego trawienia biomasy roślinnej. Zaś termo stabilne lipazy stosowane są przy odtłuszczaniu mleka, usuwaniu zanieczyszczeń z bawełny, usuwania podskórnego tłuszczu w przemyśle skórzanym i przy produkcji leków. Nie bez znaczenia są także termostabilne polimerazy DNA, które doprowadziły do bardzo szybkiego rozwoju w biologii molekularnej ze względu na zdolność powielania DNA w technice PCR.

Do drobnoustrojów termofilnych wykorzystywanych w procesach biotechnologicznych należą niektóre gatunki fermentacji mlekowej, np. Lactobacillus delbrueckii ssp. delbrueckii stosowany w przemysłowej produkcji kwasu mlekowego oraz Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus i Streptococcus thermophilus wchodzące w skład zakwasów jogurtowych. Spośród bakterii termofilnych istotne znaczenie w przemyśle spożywczym mają Geobacillus stearothermophilus, Bacillus coagulans, Thermoanaerobacterium sulfurigenes. Przetrwalniki tych bakterii wyróżniają się wysoką ciepłoopornością i wyznaczają parametry sterylizacji konserw produkowanych do krajów ciepłej i gorącej strefy klimatycznej.

Koniec końców…

…termofile dzięki swojej wyjątkowości w znoszeniu wysokich temperatur są grupą mikroorganizmów, których znaczenia w przemyśle i nauce trudno nie docenić. Można powiedzieć, że Kary Mullis swoją nagrodę Nobla za wynalezienie techniki PCR zawdzięcza właśnie termofilom. Trudno byłoby nam się dzisiaj obejść bez enzymów wyizolowanych z naszych małych sprzymierzeńców, a badania nad uzyskaniem następnych wciąż trwają. Kto wie ile jeszcze nagród Nobla przyniosą? Tak więc, okazuje się, iż MIKROorganizmy mogą realnie i pozytywnie wpływać na świat w skali MAKRO.

Bibliografia:

- „Mikrobiologia techniczna t.1, Mikroorganizmy i środowiska ich występowania” redakcja naukowa: Z. Libudzisz, K. Kowal, Z. Żakowska, PWN Warszawa 2010.

- „Życie bakterii” W. J. H. Kunicki – Goldfinger, PWN Warszawa 2005.

- „Granice życia? Cz. I. Skrajne temperatury.” M. Żmuda, Co nowego w biotechnologii? 6: 9-13, 2006.

- „Użyteczność niektórych enzymów bakterii Thermus ruber w przetwórstwie sacharydów żywności.” I. Sienkiewicz,Rozprawa doktorska, Politechnika Gdańska, pp. 7-18, 2008.

- Fotografie pochodzą z http://en.wikipedia.org oraz własnego archiwum.

Praca Konkursowa nadesłana przez Adriana Arendowskiego