Водоросли живущие в экстремальных условиях

Экстремофилы — выжить любой ценой

Наша планета, Земля обладает лучшими природно-климатическими условиями в Солнечной системе (да и во всей исследованной части Вселенной). Именно эти благоприятные условия поспособствовали зарождению жизни приблизительно 3 млрд. лет назад. За 3 млрд. лет жизнь невероятно видоизменилась: росла сложность и многообразие организмов, покорялись и заселялись новые просторы обитания. Но общим для всех форм жизни оставались все те же природно-климатические условия, за их пределами жизнь существовать не может. Или может?

реклама:
Программа Дипифр — является лучшей на рынке программой повышения квалификации специалистов в области финансовой отчетности. курс МСФО (Дипифр/DIPIFR) может пройти любой желающий специалист, как очно, так и дистанционно. Цена за обучение одна из самых низких в отрасли, есть скидки для юр. лиц.

Оказывается может. Таких организмов называют экстремофилами, они не просто спокойно переносят такие условия окружающей среды, которые означали бы неминуемую смерть для остальных форм жизни, они живут в этих условиях.

Основную долю экстремофилов составляют микроорганизмы: бактерии и археи. Животные среди них встречаются очень редко, но от того они становятся только интереснее. О последних мы и постараемся рассказать в этой статье.

Мешкороты

Мешкорот — это один из немногих представителей глубоководных рыб. Обитает в Тихом океане на глубине от 2 до 5 км. Глубины океанов — это ужасное место, там никогда не бывает света, там невероятно высокое давление, а температура воды с каждым метром стремиться к нулю.

Несмотря на явный недостаток пищи вырастают до 185 см. Мешкороты имеют огромную раскрывающуюся пасть, благодаря чему заглатывают добычу живьем.

Гусеница Гинаэфора гренландская

Это крохотное насекомое около 90% своей долгой жизни проводит скованной в арктических льдах в состоянии анабиоза (диапаузы). Гинаэфора гренландская (лат. Gynaephora groenlandica), конечно, не единственные существо способное впадать в анабиоз, но кроме нее точно никто не делает этого вне теплой берлоги и при температуре окружающей среды -70°C. Другими словами гусеница просто замерзает во льдах осенью, а с приходом лета воскресает как ни в чем не бывало. Это становится возможным благодаря возможности синтезирования особых химических соединений: бетаина и глицерина. Образование хим. соединений начинается во всех клетках животного с началом первых холодов. Бетаин и глицерин не замерзают сами и не позволяют этого клеткам гусеницы, предотвращая образование кристаллов льда.

Еще одна уникальная особенность гинаэфоры гренландской — ее продолжительность жизни. Тогда как для большинства мотыльков требуется около одного месяца на превращение из яиц во взрослую особь, у Gynaephora на это уходит от 7 до 14 лет. Объясняется это тем, что лето на арктических просторах короткое, а калорийной пищи крайне мало, вот и приходится бедному насекомому всю жизнь копить силы, чтобы получить в итоге крылья.

Артемии

Большое Соленое озеро на северо-западе Юты — один из самых соленных водоемов в мире, показатель солености здесь достигает 271 промилле (т.е. соли в нем содержится в 7,5 раз больше в морской воде). В подобной воде совершенно не должно быть никаких признаков сложной жизни. Но это не так. Наряду с несколькими видами экстремальных бактерий в озере обитает и один вид маленьких ракообразных — Артемий.

Каким образом артемии приспособились к столь соленой воде непонятно, но вот зачем они это сделали совершенно очевидно — там нет ни хищников, ни кого-то другого, способного нарушить покой артемий, ни что в соленных озерах не мешает им спокойно жить и размножаться. Нужно было лишь привыкнуть к экстримальной среде.

Это интересно: большинство видов артемий способны размножаться как живорождением, так и яйцерождением. Отдельная особь способна менять способы продолжения рода несколько раз за жизнь.

Нефтяные мухи

Уникальность этих насекомых даже не в том, что они в буквальном смысле слова живут в сырой нефти, а в том, что они питаются ей.

Нефтяные мухи (лат. Helaeomyia petrolei) — откладывают свои личинки на поверхности естественных нефтяных луж и битумных озер. В нефти личинки развиваются весьма продолжительное время, обитают в основном у самой поверхности. Питаются насекомыми, упавшими и прилипшими к нефти, и отчасти самим черным золотом.

Нефтяные мухи — вид эндемичный, встречается только в нефтяных озерах Калифорнии. По всей видимости, вид совсем молодой, а это очередной «плюс» в пользу теории Дарвина — эволюция не стоит на месте.

Даже рассмотрев всего 4 вида экстремофилов становится понятно: их незаурядные навыки и способности — это всего лишь метод спасения вида, путем нахождения незанятой нишы обитания.

научная статья по теме
ЭКСТРЕМОФИЛЬНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ: БИОХИМИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ (ОБЗОР)
Химия

ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2010, том 46, № 1, с. 5-20

УДК 576.80:663.8

ЭКСТРЕМОФИЛЬНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ: БИОХИМИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ (ОБЗОР)

© 2010 г. Е. В. Морозкина*, Э. С. Слуцкая*, Т. В. Фёдорова*, Т. И. Тугай**,

Л.И. Голубева*,О. В. Королёва*

*Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, Москва, 119071 Россия e-mail: Morozkina@inbi.ras.ru **Институт микробиологии и вирусологии им. Д.К. Заболотного НАНУкраины, Киев, 03143

Поступила в редакцию 31.10.2008 г.

В обзоре представлен анализ современных данных о биохимической адаптации микроорганизмов к существованию в экстремальных условиях. Особое внимание уделено анализу адаптационных ответов микроорганизмов в условиях повышенной радиации на молекулярном и клеточном уровнях. Систематизированы данные о практическом использовании экстремофилов и синтезируемых ими экстремоферментах, биологически активных соединениях, биополимерах и др.

В последние годы микроорганизмы, обитающие в экстремальных условиях, находятся в центре внимания исследователей. Большой интерес ученых вызывает изучение механизмов биохимической адаптации микроорганизмов к экстремальным условиям окружающей среды, а также использование экстремофилов и экстремоферментов в биотехнологии.

Выделенные из экстремальных экологических ниш микроорганизмы (экстремофилы) хорошо адаптированы к неблагоприятным факторам окружающей среды и обладают огромным биотехнологическим потенциалом. Синтезируемые ими ферменты, как правило, обладают повышенной активностью, стабильностью и могут функционировать при высоких температурах, концентрациях солей (галоферменты), в условиях высокой щелочности (алкалоферменты) и других экстремальных условиях (высокое давление, кислотность и т.д.) . Как правило, ферменты экстремофилов проявляют повышенную устойчивость не к одному, а к нескольким факторам среды, что делает возможным их широкое использование при разработке промышленных биотехнологий. Наиболее перспективно применение синтезируемых экстремофилами биологически активных соединений в медицине, косметологии, пищевой промышленности .

Обзор посвящен анализу литературных данных по биохимической адаптации к неблагоприятным факторам окружающей среды. Большой экспериментальный материал о влиянии и механизме действия различных факторов таких, как температура, высокие концентрации солей и рН, собран и обобщен в опубликованных в последнее время обзорах

. Тем не менее, данные о влиянии на микроорганизмы давления, радиации, тяжелых металлов и т.д. весьма ограничены.

Цель настоящего обзора — обобщение ряда новых примеров адаптивных реакций микроорганизмов на воздействие физических и химических факторов окружающей среды, рассмотрение биохимической адаптации на молекулярном и клеточном уровнях, а также практического использования экстремофилов.

АДАПТАЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ К ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ УСЛОВИЯМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Фактор температуры. Температура — одно из важнейших условий существования жизни, поскольку ее изменение оказывает существенное влияние на различные физические и биологические процессы. При высоких температурах происходит увеличение текучести мембран, денатурация белков и нуклеиновых кислот, меняется растворимость газов (О2 и СО2), необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов, а при низких температурах образуются кристаллы льда, вызывающие повреждения цитоплазматических мембран.

По отношению к температуре микроорганизмы, как известно, подразделяют на психрофилов (оптимальная температура роста <15°С), мезофиллов (Гопт ~ 37°С), термофилов (Гопт > 50°С) и гипертермофилов (Гопт > 80°С). Термофильные микроорганизмы, встречающиеся чаще, чем гипертермофильные, представлены различными видами бактерий, включая фотосинтетические (ци-анобактерии, пурпурные и зеленые бактерии), эн-

теробактерии (Bacillus, Clostridium и др.), тионовые (Thiobacillus) и археи (Pyrococcus, Thermoccocus, Sul-folobus, метаногены) .

Вопрос о происхождении экстремофильных организмов до сих пор остается спорным. С одной стороны, согласно данным анализа 16S и 18S рРНК из всех существующих организмов ближе всех к основанию филогенетического дерева происхождения жизни на Земле находятся термофильные бактерии и гипертермофильные археи и, следовательно, гипертермофилы действительно предшествовали мезофильным организмам. Некоторые авторы придерживаются гипотезы, согласно которой гипертермофилы произошли от мезо-фильных организмов, в результате адаптации к высоким температурам окружающей среды. В основе данной гипотезы лежит предположение, что РНК не могла быть стабильной при повышенных температурах .

В настоящее время известно более 70 видов, 29 родов и 10 порядков гипертермофилов, большинство из которых — археи. Максимальный известный верхний температурный предел роста (113°С) был обнаружен у нитратвосстанавливающей хемо-литоавтотрофной археи Pyrolobus fumarii . Затем были найдены гипертермофильные бактерии, которые растут при температуре 121°С , не способные существовать при температуре ниже 80— 90°С.

Способность существовать при экстремальных значениях температуры привела к изменению строения цитоплазматической мембраны, а также синтезу экстремоферментов и белков теплового шока .

Молекулярные механизмы, используемые двумя отдельными филогенетическими группами гипертермофилов — археями и бактериями для выживания при высоких температурах, различаются. Липиды мембран архей отличаются от липидов бактериальных клеток содержанием L-изомера глицерина вместо D-глицерина; присутствием насыщенного полиизопрена — фи-танила (3,7,11,15-тетраметилгексадесил) (С20) с 4 боковыми СН3-группами вместо неразветвленных жирных кислот с 16—18 атомами углерода в структуре исследованных ранее мембран; наличием простых эфирных связей между L-глицерином и фитанилом (с одним атомом кислорода) . Ветвление боковых цепей может приводить к объединению молекул фитанила внутри одного слоя или с другим слоем с образованием бифитанила (С40) в составе особых «монослойных» мембран, имеющих толщину 2.5—3.0 нм, которые характерны для архей, в отличие от типичных фосфодиэфирных (С18) «двуслойных» мембран бактерий. Уникальные липиды — макроциклический археол и трансмембранные калдархеол и нонитолкалдархеол, об-

наруженные только у архей, снижают проницаемость мембран в 10—17 раз, а наличие циклопентановых колец и фосфатидилинозита приводит к более компактной упаковке липидов, что уменьшает латеральную подвижность молекул в мембранах термофильных архей . У бактерий, растущих при высоких температурах, найдены такие модификации мембранных липидов, как ацилирование, насыщение, разветвление и (или) образование циклических структур углеводородных цепей .

ДНК и РНК гипертермофилов также обладают повышенной устойчивостью к высоким температурам . Устойчивость ДНК к денатурации в экстремальных условиях обитания архей может обеспечиваться положительно заряженными ДНК-связывающими белками — аналогами гистонов эу-кариот, полиаминами, относительно высоким содержанием нуклеотидных пар гуанин—цитозин (Г-Ц) и/или высокими внутриклеточными концентрациями солей. Клеточные полиамины, стабилизирующие как ДНК, так и вторичные структуры РНК у экстремофильных архей, разнообразны по структуре . Путресцин (H2N—(CH2)4—NH2), линейные триамины спермидин (H2N—(CH2)3—NH— (CH2)4-NH2), норспермидин (H2N-(CH2)3-NH-(CH2)3—NH2) и гомоспермидин, тетраамины спермин (H2N-(CH2)3-NH-(CH2)4-NH-

(CH2)3—NH2) и норспермин, пента- и гексаамины, гуанидоамин агматин, четвертичный разветвленный пентаамин №-бис(аминопропил)спермидин и ацетилированный пентаамин распределены неравномерно в клетках различных родов архей, однако в целом их структурное разнообразие и относительное содержание превышают таковые у бактерий и эукариот . Сравнительный анализ внутриклеточных полиаминов бактерий и архей, выделенных из мезофильных и гипертермофильных источников, показал, что некоторые полиамины (норспермин и норспермидин) встречаются только у гипертермофильных архей . Причиной дополнительной стабилизации структуры ДНК гипертермофилов также может быть повышенное содержание пар Г-Ц, поскольку она более стабильна за счет дополнительной водородной связи по сравнению с парой аденин—тимин (А-Т). В результате исследования содержания Г-Ц в составе ДНК, 23S, 16S и 5S рРНК, а также тРНК установлена прямая корреляции между оптимальной температурой роста микроорганизмов (Гопт) и количеством пар Г-Ц в рРНК и тРНК, в то время как для ДНК такая корреляция не обнаружена . Альтернативным механизмом, стабилизирующими вторичную структуру молекулы ДНК, является ее ассоциация с катионными белками (HMf и Sac семейства, DNABPII), что приводит к дополнительной спирализованности ДНК и образова-

нию нуклеосом, а также наличие у всех гипертермофильных бактерий и архей АТФ-зависимой то-поизомеразы типа I (обратной гиразы) , за счет функционирования которой молекула ДНК имеет положительную направленность спирализации. Ряд авторов придерживается точки зрения, что наличие обратной гиразы у гипертермофильных ар-хей и есть истинный адаптивный механизм, обеспечивающий выживание микроорганизмов при высоких температурах. Однако в работе показано, что удаление гена обратной гиразы у гипер-темофильной археи Ткегтососсш квёакагавтгз KOD1 не приводило к гибели А штамма при температурах роста до 90°С включительно.

Увеличение стабильности вторичной и третичной структур тРНК также достигается посттрансляционной модификацией нуклеозидов, причем ряд таких модификаций являются специфичными для архей . Наиболее часто встречающейся модификацией является 2′-О-метилирование рибо-зы, причем степень метилирования увеличивается с ростом температуры среды обитания микроорганизмов. В клетках Ругососсиз/игош, растущих при температурах 70, 85 и 100°С было обнаружено три модификации рибонуклеозидов, относительная доля которых увеличивалась по мере роста температуры, причем все модифицированные нуклеозиды были локализованы в участках молекулы тРНК, обеспечивающих ее конфор

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Экстремофилы — это организмы, которые живут и процветают в местах обитания, где жизнь невозможна для большинства других организмов. Суффикс (-фил) в переводе с греческого означает любовь. Экстремофилы «любят» обитать в экстремальных условиях. Они обладают способностью выдерживать такие состояния, как высокая радиация, высокое или низкое давление, высокий или низкий уровень pH, отсутствие света, сильная жара или холод и экстремальная засуха.

Большинство экстремофилов — это микроорганизмы, такие как бактерии, археи, протисты и грибы. Более крупные организмы, такие как черви, лягушки, насекомые и ракообразные, также могут жить в экстремальных местах обитания. Существуют различные классы экстремофилов, основанные на типе среды, в которой они процветают. Вот некоторые из них:

  • Ацидофил — организм, который процветает в кислой среде с уровнем pH3 и ниже.
  • Алкалифил — организм, который процветает в щелочных средах с уровнем pH9 и выше.
  • Барофил — организм, который живет в условиях высокого давления, таких как глубоководные места обитания.
  • Галофил — организм, который живет в местах обитания с чрезвычайно высокой концентрацией соли.
  • Гипертермофил — организм, который процветает в средах с чрезвычайно высокими температурами (от 80° до 122° C).
  • Психрофил/криофил — организм, который живет в экстремально холодных условиях и низких температурах (от -20° до +10° C).
  • Радиорезистентные организмы — организм, который процветает в условиях с высоким уровнем радиации, включая ультрафиолетовое и ядерное излучение.
  • Ксерофил — организм, который живет в экстремально сухих условиях.

Тихоходки

Тихоходки или водные медведи могут переносить несколько типов экстремальных условий. Они живут в горячих источниках, антарктическом льду, а также в глубоких средах, на горных вершинах и даже в тропических лесах. Тихоходки обычно встречаются в лишайниках и мхах. Они питаются растительными клетками и крошечными беспозвоночными, такими как нематоды и коловратки. Водные медведи размножаются половым путем, хотя некоторые размножатся бесполым путем через партеногенез .

Тихоходки могут выживать в различных экстремальных условиях, потому что они способны временно приостанавливать обмен веществ, когда условия не пригодны для выживания. Этот процесс называется криптобиозом и позволяет водным медведям войти в состояние, которое позволит им выжить в условиях экстремальной засушливости, нехватки кислорода, сильного холода, низкого давления и высокой токсичности или радиации. Тихоходки могут оставаться в этом состоянии в течение нескольких лет и выходить из него, когда окружающая среда становится пригодной для жизни.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *