HALOFILY: KLASIFIKÁCIA, OSMÓZA, APLIKÁCIE, PRÍKLADY - BIOLÓGIE - 2024

Tieto halofilné organizmy sú kategórie mikroorganizmov, a to ako prokaryotes a eukaryotes, ktorý je schopný reprodukovať a žiť v prostredí s vysokou koncentráciou soli, ako sú morské vody a hypersalinní vyprahnutých oblastiach. Termín halophil pochádza z gréckeho slova halos a filo, čo znamená „milovník soli“.

Organizmy zaradené do tejto kategórie tiež patria do veľkej skupiny extrémemofilných organizmov, pretože sa množia v biotopoch s extrémnou slanosťou, kde by väčšina živých buniek nedokázala prežiť.

Saliny, prostredie extrémnej slanosti, kde sa množia extrémne halofilné bunky. Autor: H. Zell, z Wikimedia Commons.

V skutočnosti veľká väčšina existujúcich buniek rýchlo stráca vodu, keď je vystavená médiu bohatému na soli, a práve táto dehydratácia v mnohých prípadoch rýchlo vedie k smrti.

Schopnosť halofilných organizmov žiť v týchto prostrediach je spôsobená skutočnosťou, že môžu vyrovnať svoj osmotický tlak vo vzťahu k životnému prostrediu a udržiavať svoj izosmotický cytoplazmus s mimobunkovým prostredím.

Boli klasifikované na základe koncentrácie soli, v ktorej môžu žiť v extrémnych, miernych, slabých a halotolerantných halofiloch.

Niektorými zástupcami halofilných sú zelená riasa Dunaliella salina, kôrovec rodu Artemia alebo perloočka a huby Aspergillus penicillioides a Aspergillus terreu.

klasifikácia

Nie všetky halofilné organizmy sú schopné sa množiť v širokom rozmedzí koncentrácií solí. Naopak, líšia sa mierou slanosti, ktorú sú schopní tolerovať.

Táto úroveň tolerancie, ktorá sa mení medzi veľmi špecifickými koncentráciami NaCl, slúži na ich klasifikáciu ako extrémne, stredne silné, slabé a halotolerantné halofily.

Do skupiny extrémnych halofilov patria všetky organizmy schopné osídliť prostredie, v ktorom koncentrácia NaCl prekračuje 20%.

Nasledujú mierne halogénfily, ktoré sa množia pri koncentráciách NaCl medzi 10 a 20%; a slabé halofily, ktoré tak robia pri nižších koncentráciách, ktoré sa pohybujú medzi 0,5 a 10%.

Nakoniec halotolerantes sú organizmy, ktoré sú schopné podporovať iba nízke koncentrácie soli.

Osmóza a slanosť

Existuje široká škála prokaryotických halofilov schopných odolávať vysokým koncentráciám NaCl.

Táto schopnosť odolávať slanostným podmienkam, ktoré sa líšia od nízkej, ale vyššej ako sú tie, ktoré väčšina živých buniek je schopná tolerovať, až po extrémne, sa získala vďaka vývoju viacerých stratégií.

Hlavnou alebo centrálnou stratégiou je vyhnúť sa následkom fyzikálneho procesu známeho ako osmóza.

Tento jav sa týka pohybu vody polopriepustnou membránou z miesta s nízkou koncentráciou rozpustených látok do miesta s vyššou koncentráciou.

Preto, ak v extracelulárnom prostredí (prostredie, v ktorom sa organizmus vyvíja), sú koncentrácie soli vyššie ako koncentrácie v cytosóle, stratí vodu zvonku a dehydratuje sa k smrti.

Medzitým, aby sa zabránilo tejto strate vody, ukladajú vo svojej cytoplazme vysoké koncentrácie rozpustených látok (solí), aby kompenzovali účinky osmotického tlaku.

Adaptívne stratégie na zvládnutie slanosti

Halofilné baktérie. Autor: Maulucioni na základe obrázkov od Commons, z Wikimedia Commons.

Niektoré zo stratégií používaných týmito organizmami sú: syntéza enzýmov schopných udržiavať svoju aktivitu pri vysokých koncentráciách soli, fialové membrány, ktoré umožňujú rast prostredníctvom fototropie, senzory, ktoré regulujú fototaktickú reakciu, ako je rodopsín, a plynové vezikuly, ktoré podporujú ich rast. floatation.

Okrem toho treba poznamenať, že prostredie, v ktorom tieto organizmy rastú, je dosť premenlivé, čo predstavuje riziko prežitia. Preto vyvíjajú ďalšie stratégie prispôsobené týmto podmienkam.

Jedným z meniacich sa faktorov je koncentrácia rozpustených látok, ktorá je dôležitá nielen v hypersalínových médiách, ale v akomkoľvek prostredí, kde môže dážď alebo vysoké teploty spôsobiť vysušenie a následne variácie osmolarity.

Na zvládnutie týchto zmien vyvinuli halofilné mikroorganizmy dva mechanizmy, ktoré im umožňujú udržiavať hyperosmotickú cytoplazmu. Jeden z nich volal "soľ-in" a druhý "soľ-out"

Mechanizmus zaplavenia

Tento mechanizmus vykonávajú Archeas a Haloanaerobiales (prísne anaeróbne stredne silné halofilné baktérie) a spočíva v zvyšovaní vnútorných koncentrácií KCl v ich cytoplazme.

Avšak vysoká koncentrácia soli v cytoplazme ich viedla k molekulárnym adaptáciám pre normálne fungovanie intracelulárnych enzýmov.

Tieto úpravy v podstate pozostávajú zo syntézy proteínov a enzýmov bohatých na kyslé aminokyseliny a chudobných na hydrofóbne aminokyseliny.

Obmedzenie pre tento typ stratégie je, že organizmy, ktoré ho vykonávajú, majú zlú schopnosť prispôsobiť sa náhlym zmenám osmolarity, čím obmedzujú svoj rast na prostredie s veľmi vysokou koncentráciou soľného roztoku.

Mechanizmus vyprázdňovania

Tento mechanizmus používajú okrem miernych halofilných metanogénnych archaea tak halofilné, ako aj nehalogénové baktérie.

V tomto prípade halofilný mikroorganizmus vykonáva osmotickú rovnováhu pomocou malých organických molekúl, ktoré môžu byť syntetizované alebo získané z média.

Týmito molekulami môžu byť polyoly (ako je glycerol a arabinitol), cukry, ako napríklad sacharóza, trehalóza alebo glukozyl-glycerol alebo aminokyseliny a deriváty kvartérnych amínov, ako je glycín-betaín.

Všetky majú vysokú rozpustnosť vo vode, nemajú žiadny náboj pri fyziologickom pH a môžu dosiahnuť hodnoty koncentrácie, ktoré umožňujú týmto mikroorganizmom udržať osmotickú rovnováhu s vonkajším prostredím bez ovplyvnenia fungovania ich vlastných enzýmov.

Tieto molekuly majú navyše schopnosť stabilizovať proteíny proti teplu, vysušeniu alebo zamrznutiu.

aplikácia

Halofilné mikroorganizmy sú veľmi užitočné na získavanie molekúl na biotechnologické účely.

Tieto baktérie nepredstavujú veľké ťažkosti s kultiváciou v dôsledku nízkych nutričných požiadaviek v ich médiách. Ich znášanlivosť s vysokými koncentráciami fyziologického roztoku minimalizuje riziko kontaminácie, čo z nich robí výhodnejšie alternatívne organizmy ako E. coli.

Kombináciou svojej výrobnej kapacity a odolnosti voči extrémnym slaným podmienkam sú mikroorganizmy veľmi zaujímavé ako zdroj priemyselných výrobkov vo farmaceutickom, kozmetickom a biotechnologickom odbore.

Niekoľko príkladov:

enzýmy

Mnoho priemyselných procesov sa vyvíja v extrémnych podmienkach, čo ponúka oblasť použitia pre enzýmy produkované extrémemofilnými mikroorganizmami, schopné pôsobiť pri extrémnych hodnotách teploty, pH alebo slanosti. Boli teda opísané amylázy a proteázy používané v molekulárnej biológii.

polyméry

Podobne halogénfilné baktérie sú výrobcami polymérov s povrchovo aktívnymi a emulgačnými vlastnosťami, ktoré sú v ropnom priemysle veľmi dôležité, pretože prispievajú k ťažbe ropy z podložia.

Kompatibilné soluty

Soluty, ktoré sa tieto baktérie akumulujú v cytoplazme, majú vysokú stabilizačnú a ochrannú silu enzýmov, nukleových kyselín, membrán a dokonca celých buniek proti zamrznutiu, vysušeniu, denaturácii teplom a vysokej slanosti.

To všetko sa používa v enzýmovej technológii, ako aj v potravinárskom a kozmetickom priemysle na predĺženie životnosti výrobkov.

Biodegradácia odpadu

Halofilné baktérie sú schopné degradovať toxický odpad, ako sú pesticídy, liečivá, herbicídy, ťažké kovy a procesy ťažby ropy a plynu.

foods

V oblasti potravín sa podieľajú na výrobe sójovej omáčky.

Referencie

1. Dennis PP, Shimmin LC. Evolučná divergencia a výber sprostredkovaný slanosťou v halofilnej Archaea. Microbiol Mol Biol Rev. 1997; 61: 90-104.
2. González-Hernández JC, Peña A. Adaptačné stratégie halofilných mikroorganizmov a Debaryomyces hansenii (halofilné droždie). Latinskoamerický denník mikrobiológie. 2002; 44 (3): 137-156.
3. Oren A. Bionergetické aspekty halofilizmu. Microbiol Mol Biol Rev. 1999; 63: 334-48.
4. Ramírez N, Sandoval AH, Serrano JA. Halofilné baktérie a ich biotechnologické aplikácie. 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. Zhromažďovanie solutov baktériami kompatibilné s osmosenzáciou a osmoreguláciou. Comp Biochem Physiol. 2001; 130: 437 - 460.