dr in\
. Aneta Białkowska
DROBNOUSTROJE EKSTREMOFILNE
JAKO y
RÓDA
O UśYTECZNYCH
BIOMOLEKUA

dr in\
. Aneta Białkowska
EKSTREMOFILE
EKSTREMOFILE
HIPERTERMOFILE (Topt>85�C),  szczep 121 ; Pyrolobus fumarii (Topt = 113�C)
PSYCHROFILE (Tmin 0�C i poni\
ej), Colwellia psychrerythraea (Tmin= -5�C)
ACIDOFILE (pH 0,5 �
�2,0), Picrophilus torridus pHopt=0,7 (1,2 M H2SO4)
�
�
ALKALOFILE (pH 10 �12), Bacillus firmus pHopt=10,5
HALOFILE (stę\
enie soli > 2,5 M), Haloarcula marismorti (1,7-5,1 M NaCl)
METALOFILE (wysokie stę\
enia metali cię\
kich), Ralstonia i Rhodococcus;
PIEZOFILE (ciśnienie do 140 MPa), Photobacterium sp.
EUTEKTOFILE (wymagają dla wzrostu wody w stanie witryfikacji);
KSEROFILE (aktywność wody poni\
ej 0,8), Halobacterium sp.
RADIOFILE, Deinococcus radiodurans (>5000 Gy ł; > 400 J/m2 UV)
ł
ł
ł
ENDOLITY I HIPOLITY (kolonizują pęknięcia i części denne skał),
Methanobacterium subterranean
MIKROAEROFILE (stę\
enie tlenu < 21% O2)
dr in\
. Aneta Białkowska
ADAPTACJE DROBNOUSTROJÓW DO
ADAPTACJE DROBNOUSTROJÓW DO
EKSTREMALNEGO ŚRODOWISKA
EKSTREMALNEGO ŚRODOWISKA
specyficzne mechanizmy akumulacji energii (bakteriorodopsyna
halofili) oraz utrzymania homeostazy środowiska
wewnątrzkomórkowego i metabolizmu
stabilność komponentów funkcjonalnych i strukturalnych komórki
w warunkach ekstremalnego biotopu
kinetyka reakcji biochemicznych dostosowana do warunków
ekstremalnych
L. antarcticum
Proteinazy
Y. lipolytica
aqualizyna
100
80
60
40
20
0
-10 -5 0 10 15 20 25 27 30 35 40 50 60 70 80 90 100
temperatura [�C]
aktywno
ść
[%]
dr in\
. Aneta Białkowska
ADAPTACJE DROBNOUSTROJÓW DO
ADAPTACJE DROBNOUSTROJÓW DO
EKSTREMALNEGO ŚRODOWISKA
EKSTREMALNEGO ŚRODOWISKA
skład lipidów błonowych zapewniający płynność membran
oraz właściwy transport jonów i biocząsteczek:
u psychrofili - wzrost zawartości wielonienasyconych
kwasów tłuszczowych, w szczególności z rodzin n3 i
n6, a tak\
e kwasów rozgałęzionych nasyconych i
mononienasyconych
u termofili - lipidy z wiązaniami eterowymi, a nie estrowymi,
zawierające więcej reszt kwasów nasyconych;
u halofili - obecność specyficznych transportujących białek
błonowych
produkcja ochronnych egzopolisacharydów, biosurfaktantów,
kompatybilnych solutów
tworzenie ochronnych barwników i innych molekularnych filtrów
UV
dr in\
. Aneta Białkowska
WA
AŚCIWOŚCI EKSTREMOZYMÓW
WA
AŚCIWOŚCI EKSTREMOZYMÓW
IDENTYCZNY
MECHANIZM
KATALIZY
Wspólne właściwości
Wspólne właściwości
ekstremozymów
ekstremozymów
40-80%
ZBLIśONA
HOMOLOGII
STRUKTURA
SEKWENCJI
PRZESTRZENNA
AMINOKWASÓW
dr in\
. Aneta Białkowska
WA
AŚCIWOŚCI EKSTREMOZYMÓW
WA
AŚCIWOŚCI EKSTREMOZYMÓW
1. KINETYCZNE
PSYCHROZYMY
Wysoka reaktywność (kkat)
Obni\
ona temperatura Ograniczona
optymalna i wysoka i skuteczność katalityczna stabilność
aktywność poni\
ej 20�C termiczna
(kkat/ Km)w zakresie 0-30�C
i w 0�C
TERMOZYMY
Wysoka
Wysoka reaktywność (kkat)
stabilność
Podwy\
szona Topt (>80�C)
i skuteczność katalityczna
termiczna nawet
i wysoka aktywność
(kkat/Km) w zakresie 70-115�C
powy\
ej 100�C
powy\
ej 70�C
dr in\
. Aneta Białkowska
2. STRUKTURALNE
PSYCHROZYMY  obni\
ona spójność molekuł, zwiększona elastyczność
Obecność giętkich
Ni\
sza liczba
Obecność obszarów
dodatkowych pętli
oddziaływań
hydrofobowych na
na powierzchni
wewnątrzcząstecz-
powierzchni białka
cząsteczek
kowych
TERMOZYMY  wysoki stopień upakowania i zwiększona sztywność
molekuł
Wy\
sza liczba
Mniej i krótsze
Mniej jamistości
oddziaływań
pętle na powierzchni
w cząsteczce
wewnątrzcząstecz-
cząsteczek
kowych
dr in\
. Aneta Białkowska
BIOTECHNOLOGICZNIE INTERESUJ
CE PRODUKTY
METABOLIZMU DROBNOUSTROJÓW EKSTREMOFILNYCH
Enzymy adaptowane do zró\
nicowanych, skrajnych warunków
(termozymy,psychrozymy, halozymy, piezozymy)
Wielonienasycone kwasy tłuszczowe
Unikatowe egzopolisacharydy, cyklodekstryny i inne
biopolimery
Nowe substancje bakterio- i fungistatyczne
Barwniki przydatne dla \
ywności
Molekularne filtry UV
Ekstremolity
Membranowe biosurfaktanty (lichenizyna)
Chaperoniny z hipertermofili
dr in\
. Aneta Białkowska
MOśLIWOŚCI APLIKACJI EKSTREMOZYMÓW
MOśLIWOŚCI APLIKACJI EKSTREMOZYMÓW
I ICH PRODUCENTÓW
I ICH PRODUCENTÓW
1. OCHRONA ŚRODOWISKA (KULTURY DROBNOUSTROJÓW
1. OCHRONA ŚRODOWISKA (KULTURY DROBNOUSTROJÓW
PSYCHRO-, TERMO-
PSYCHRO-, TERMO-I HALOFILNYCH)
I HALOFILNYCH)
" " biodegradacja polutantów
biodegradacja polutantów
" " rekultywacja zanieczyszczonej gleby in
rekultywacja zanieczyszczonej gleby insitu (bioremediacja,
situ (bioremediacja,
biopulping
biopulping= biorozwłóknianie)
= biorozwłóknianie)
" " produkcja biogazu
produkcja biogazu
" " usuwanie radioaktywnych ska\
eń
usuwanie radioaktywnych ska\
eń
dr in\
. Aneta Białkowska
2. BIOTRANSFORAMCJE W ZRÓśNICOWANYCH
2. BIOTRANSFORAMCJE W ZRÓśNICOWANYCH
WARUNKACHModyfikacje
WARUNKACHModyfikacjei produkcja antybiotyków (psychro- i
i produkcja antybiotyków (psychro-i
piezozymy)
piezozymy)
" " Biokataliza w środowiskach organicznych (psychro-
Biokataliza w środowiskach organicznych (psychro-i halozymy):
i halozymy):
a) stereospecyficzna
a) stereospecyficznasynteza estrów, peptydów i in.
synteza estrów, peptydów i in.
b) synteza i modyfikacja lotnych związków
b) synteza i modyfikacja lotnych związków
3. CHEMIA GOSPODARCZA
3. CHEMIA GOSPODARCZA
produkcja środków piorących w niskich i wysokich
produkcja środków piorących w niskich i wysokich
temperaturach: proteazy,
temperaturach: proteazy,lipazy (C. antarctica),
lipazy (C. antarctica),
amylazy, celulazy (celulaza BCE113)
amylazy, celulazy (celulaza BCE113)
preparat  Stainzyme
preparat  Stainzyme   przeznaczony do prania w obnizonych
przeznaczony do prania w obnizonych
temperaturach
temperaturach
dr in\
. Aneta Białkowska
4. BIOLOGIA MOLEKULARNA
4. BIOLOGIA MOLEKULARNA
" " Polimerazy, np. Taq, Pwo
Polimerazy, np. Taq, Pwoi Pfu
i Pfu
" " zasadowa fosfataza Vibrio
zasadowa fosfataza Vibrio
.
.
5. PRZEMYSA

5. PRZEMYSA
SPOśYWCZY
SPOśYWCZY
" " serowarstwo i mleczarstwo
serowarstwo i mleczarstwo
" " piwowarstwo
piwowarstwo
" " przetwórstwo skrobi
przetwórstwo skrobi
" " konserwacja \
ywności
konserwacja \
ywności
" " przetwórstwo owoców
przetwórstwo owoców
" " tenderyzacja
tenderyzacjamięsa i ryb
mięsa i ryb
" " produkcja prebiotyków
produkcja prebiotyków
i nutraceutyków
i nutraceutyków
dr in\
. Aneta Białkowska
MOśLIWOŚCI APLIKACJI EKSTREMOZYMÓW
MOśLIWOŚCI APLIKACJI EKSTREMOZYMÓW
MOśLIWOŚCI APLIKACJI EKSTREMOZYMÓW
I ICH PRODUCENTÓW
I ICH PRODUCENTÓW
I ICH PRODUCENTÓW
INNE PRZEMYSA
Y:
INNE PRZEMYSA
Y:
Przemysł
Przemysłpapierniczy: termofilne ksylanazy--bielenie papieru
papierniczy:termofilne ksylanazy bielenie papieru
makulatorowego
makulatorowegoi pulpy drzewnej
i pulpy drzewnej
Garbarstwo: zimne proteazy
Garbarstwo: zimne proteazy--odwłaszania skór,
odwłaszania skór,
Przemysł
Przemysłtekstylny: odklejanie surowych tkanin  zimne amylazy,
tekstylny: odklejanie surowych tkanin  zimne amylazy,
marmurkowanie jeansu 
marmurkowanie jeansu  wieloenzymatyczny
wieloenzymatyczny
preparat Deni
preparat Denimax-Combi 113-140
max-Combi 113-140
usuwanie barwników -
usuwanie barwników -halofilne oksydazy,
halofilne oksydazy,
Przemysł
Przemysłwęglowy: odsiarczanie węgla  acidofilneoksydazy
węglowy: odsiarczanie węgla  acidofilne oksydazy
Przemysł �-glukanazy
��
��
Przemysłwydobywczy: termofilne � do degradacji
wydobywczy:termofilne ��-glukanazydo degradacji
polisacharydów, stosowanych w wiertnictwie ropy
polisacharydów, stosowanych w wiertnictwie ropy
naftowej i gazu ziemnego
naftowej i gazu ziemnego
Produkcja biosensorów: psychrofilne
Produkcja biosensorów: psychrofilnedehydrogenazy
dehydrogenazy
Przemysł
Przemysłpaszowy: psychrofilne celulazy i proteazy
paszowy: psychrofilnecelulazy i proteazy
dr in\
. Aneta Białkowska
BIOTECHNOLOGICZNIE INTERESUJ
CE PRODUKTY
METABOLIZMU DROBNOUSTROJÓW EKSTREMOFILNYCH
Enzymy adaptowane do zró\
nicowanych, skrajnych warunków
(termozymy,psychrozymy, halozymy, piezozymy)
Wielonienasycone kwasy tłuszczowe
Unikatowe egzopolisacharydy, cyklodekstryny i inne
biopolimery
Nowe substancje bakterio- i fungistatyczne
Barwniki przydatne dla \
ywności
Molekularne filtry UV
Ekstremolity
Membranowe biosurfaktanty (lichenizyna)
Chaperoniny z hipertermofili
dr in\
. Aneta Białkowska
KOMPATYBILNE SOLUTY (EKSTREMOLITY)
KOMPATYBILNE SOLUTY (EKSTREMOLITY)
Osmoaktywne substancje, utrzymujące dodatnią równowagę wodną w
komórkach halofili: pochodne aminokwasów  ektoina, betainy glicyny i
proliny; sacharydy  trehaloza; karnityna; cholina i in. Ekstremolity
chronią makrocząsteczki i komórki przed stresami (wysuszenie,
zamarznięcie, denaturacja termiczna, promieniowanie UV).
EKTOINA
EKTOINA
Szlak biosyntezy:
(1,4,5,6-tetrahydro-2-methyl-4-pyrimidine carboxylic acid)
dr in\
. Aneta Białkowska
EKTOINA
EKTOINA
Produkcja: technologia  bacterial milking ( BITOP AG , Niemcy). Etapy:
" hodowla halofilnego szczepu Halomonas elongata w podło\
ach
zawierających 15% NaCl (biosynteza ektoiny)
" oddzielenie biomasy na modułach filtracyjnych
" przeniesienie komórek do podło\
a z 3% NaCl (hipoosmotyczny szok) 
wyciek ektoiny do podło\
a
155 mg ektoiny / 1 g s.m. komórek
Zastosowanie :
" składnik kosmetyków (intensywne nawil\
anie)
" stabilizator enzymów (m.in. polimeraz DNA w reakcjach PCR) i
komórek
" składnik farmaceutyków aktywujący cytoochronną odpowiedz

komórek ludzkich na warunki stresowe
Inne właściwości:
" inhibicja agregacji cząsteczek �
�-amyloidu
�
�
" indukcja biosyntezy Hsp 70
Odpowiednik: firoina syntetyzowana przez Pyrococcus furiosus
dr in\
. Aneta Białkowska
BAKTERIORODOPSYNA I HALORODOPSYNA
BAKTERIORODOPSYNA I HALORODOPSYNA
-związane z błonami komórkowymi barwne białka, zawierające
światłoczułą substancję (retinal); mają zdolność absorpcji fotonów,
dzięki czemu działają jako pompy protonowe, eksportując protony
na zewnątrz komórki, co powoduje powstanie wysokiego potencjału
elektrochemicznego, niezbędnego dla syntezy ATP
Produkcja:
Postać zliofilizowana produkowana przez szczep archeona
Halobacterium salinarum i skomercjalizowana przez firmę COBEL
w Hiszpanii i MIB (Innovative Biomaterials) w Niemczech.
Zastosowanie:
przemysł fotochemiczny, fotoelektryczny (holografia,
przestrzenne modulatory światła, komputerowe sieci neuronowe,
optyczne przełączniki)
medycyna (sztuczna siatkówka oka)
dr in\
. Aneta Białkowska
Pozakomórkowe polisacharydy (egzopolisacharydy, EPS))
Pozakomórkowe polisacharydy (egzopolisacharydy, EPS))
Funkcje egzopolisacharydów:
:
" ochrona przed wysuszeniem, fagocytozą, gwałtownymi zmianami
temperatur itp
" bariera dla bakteriofagów oraz pierwotniaków
" udział w procesie glebotwórczym
Mo\
liwe wykorzystanie:
" w przemyśle tekstylnym, detergentów, środków adhezyjnych
" w uzdatnianiu wody, w procesach izolacji i oczyszczania ró\
nych
substancji
" w kosmetologii i w farmakologii
" jako dodatek do \
ywności
" w indukcji syntezy interferonu
" aktywności: przeciwrakowe, antywirusowe, przeciwzapalne
Przykład:
polisacharyd z haloalkalofila Bacillus sp. I-450  kwaśny heteroglikan
(52,4% - cukry obojętne, 17,2% - kwasy uronowe , 2,4% - aminocukry)
dr in\
. Aneta Białkowska
INNE BIOPOLIMERY I BIOCZ
STECZKI
INNE BIOPOLIMERY I BIOCZ
STECZKI
" kwas poli (ł
ł-glutaminowy), PGA
ł
ł
Producent: halofilny archeon Natrialba sp. (470 mg PGA/l).
Wykorzystanie: zagęstnik, nośnik leków (farmakologia), prebiotyków,
nutraceutyków (przemysł spo\
ywczy)
" polihydroksyalkanoaty, PHA
np. kwas poli (�
�-hydroksymasłowy) (PHB) o właściwościach
�
�
zbli\
onych do polietylenu i polipropylenu
Producent: Haloferax mediterranei (60% s.m. komórek, tj. ok.. 6 g/l)
" lipidy z wiązaniami eterowymi  tzw. liposomy, otrzymywane z
całkowitej frakcji polarnych eterów lipidów Halobacterium cutirubrum.
Odporne na atak fosfolipaz i esteraz, poszukiwane w medycynie i
kosmetologii.
dr in\
. Aneta Białkowska
KWASY POLIENOWE n-3
KWASY POLIENOWE n-3
kwas ą-linolenowy - 18:3"
ą "9,12,15, ALA n-3
ą "
kwas ą-linolenowy - "
ą
ą
ą
ą
-składnik fosfolipidów błon komórkowych
(wpływa na ich płynność)
-prekursor EPA i DHA
kwas eikozapentaenowy  20:5"
"5,8,11,14,17, EPA n-3
"
kwas eikozapentaenowy "
- prekursor prostanoidów: PG3 i TxA3
- obni\
a zawartość cholesterolu
i ciśnienie tętnicze
kwas dokozaheksaenowy  22:6"
"4,7,10,13,16,19, DHA n-3
"
kwas dokozaheksaenowy  "
- składnik osłonek nerwowych,
- wpływa na ogólną odporność organizmu.
dr in\
. Aneta Białkowska
BARWNIKI OCHRONNE
BARWNIKI OCHRONNE
" karotenoidy (�-karoten, kantaksantyna) i melaniny;
produkują je głównie halofile
�-karoten
�
�
�
" inne barwniki, np. fioletowe barwniki psychrotrofowego
szczepu Janthinobacterium lividum wykazujące aktywność
antybakteryjną względem B. subtilis, B. megaterium, S.
aureus i P. aeruginosa
Wiolaceina (Mw  343,3) Deoksywiolaceina (Mw  329)
dr in\
. Aneta Białkowska
BARWNIKI PRODUKOWANE PRZEZ ANTARKTYCZNE
BARWNIKI PRODUKOWANE PRZEZ ANTARKTYCZNE
GRZYBY STRZ
PKOWE Z KOLEKCJI IBT PA

GRZYBY STRZ
PKOWE Z KOLEKCJI IBT PA

dr in\
. Aneta Białkowska
ARCHEOCYNY
ARCHEOCYNY
Peptydowo-białkowe bakteriocynopodobne
substancje o właściwościach antybiotycznych
wytwarzane przez halofilne i hipertermofilne
archeony:
" halocyny (do 35 kDa) i mikrohalocyny (od 3,6 kDa)
z ekstremalnych halofili z rodziny
Halobacteriaceae,
" sulfolobicyny (ok. 20 kDa) z ekstremalnych
termofili rodzaju Sulfolobus