Ekstremofile

EKSTREMOFILE - mikroorganizmy bytujące w środowisku, w którym panują skrajne warunki pod określonym względem (np. temperatury, ciśnienia, zasolenia, pH).

!!! Ważnym pojęciem, na zwróciła Basia uwagę to:

Ekstremozymy - są to enzymy wyizolowane z ekstremozymów (zachowują one aktywność w warunkach, w których inne enzymy zawodzą) w artykule podano również pojęcie ekstremozymów jako „narzędzi do przeżcia”, co świadczy o ich roli.

Charakterystyka poszczególnych grup:

TERMOFILE

• Organizmy ciepłolubne szeroko rozpowszechnione w przyrodzie.

• Dzieli się je na: względne termofile (optimum wzrostu od 45 do 65oC np. Lactobacillus thermophilus), bezwzględne termofile (optimum wzrostu od 65 do 85^oC np. Bacillus thermodiastaticus), ekstremalne termofile = hipertermofile (optimum wzrostu >85^oC np. Pyrococcus furiosus ).

• Żyją w gorących źródłach, w nawozie, glebie, fermentujących resztkach roślinnych (siano, tytoń), w jelitach niektórych zwierząt.

• Enzymy pochodzące od tych organizmów, tzw. termoenzymy są stabilne w wysokich temperaturach (amylazy, ksylanazy, proteazy, DNA polimerazy).

Właściwości enzymów termostabilych:

• Duże znaczenie mostków solnych, których zniszczenie w termostabilnej α- amylazie prawie całkowicie znosi całą jej odporność na wysoką temperaturę.

• Zwiększona liczba oddziaływań hydrofobowych.

• Zwiększenie ilości Ile i stosunku Arg/(Arg+Lys).

• Zmniejszone rozmiary miejsc aktywnych.

• Zmniejszenie rozmiarów pętli powierzchniowych (łączących struktury drugorzędowe białka).

• Glikozydazy z hipertermofili jako jedne z najlepiej poznanych termoenzymów.

Termofile - zastosowanie:

• W reakcji PCR (Thermus aquaticus)

• W przemyśle farmaceutycznym wykorzystuje się dehydrogenazy drugorzędowych alkoholi odporne na substancje denaturujące

• W reakcjach prowadzonych w fazie gazowej

• W biokopalnictwie

• W reakcjach transestryfikacji

• W syntezie oligosacharydów, peptydów, fosfolipidów

• W reakcjach ligazy DNA

ACIDOFILE

• Mikroorganizmy rosnące w kwaśnym środowisku.

• Do organizmów takich należy np. Alicyclobacillus acidocaldanius, będący w stanie żyć przy pH równym nawet 0,8.

• Organizmy te często są również termo- czy halofilami.

• Swoje zastosowanie znalazły w oczyszczaniu metali (np. ekstrakcji miedzi z pirytu) oraz odsiarczaniu węgla.

ALKALOFILE

• Organizmy żyjące w środowisku zasadowym

• Do grupy tej należy np. Clostridium paradoxum żyjące w ściekach wodnych przy pH oscylującym w okolicach 10

• Jako ochronę przed zasadowym środowiskiem posiadają jako dodatek do peptydoglikanu specjalne kwaśne polimery bogate w glutaminian, asparaginian i kwas fosforowy

Alkalofile - zastosowanie:

Enzymy pochodzące z tych organizmów mają zastosowanie głównie w przemyśle detergentów. Najszerzej stosowanymi enzymami alkalofilowymi do detergentów są:

• Proteazy - służą do usuwania włosia ze skór w garbarstwie (reakcja jest prowadzona w zakresie pH 8-10) - służą do usuwania żelatynowego pokrycia filmów wykorzystywanych do zdjęć Roentgena

• α - amylazy- dodawane do proszków do prania

• Cyklomaltodekstryno glukonotransferazy- do produkcji cyklodekstryn

• pullulanazy- hydrolizują wiązania α-1,4 i α-1,6 glikozydowe, dodawane do płynów do mycia naczyń

• cellulazy - dodawane do proszków do prania

• ksylanazy - używane do wybielania zamiast związków chloru

• pektynazy - do produkcji papieru

HALOFILE

• Organizmy odporne na wysokie zasolenie środowiska

• Bakterią należącą do tej grupy jest np. Halobacterium halobium, które jest wstanie bytować w środowisku 30% NaCl

• Odporność ich wynika z faktu, że we wnętrzu ich komórek akumulowane są jony K⁺

• Stosuje się je m.in.. w produkcji biopolimerów, a także w syntezie oligopeptydów zawierających glicynę

Właściwości enzymów halofilnowych:

• Wysoka zawartość (do 20%) Glu i Asp na powierzchni enzymu, co powoduje przyciąganie zhydratowanych jonów do powierzchni enzymu i zmniejsza tym samym napięcie na granicy białko- rozpuszczalnik i zapobiega precypitacji

• Mniejsza zawartość silnie hydrofobowych reszt aminokwasowych (Trp, Tyr, Phe), co rekompensuje wysokie zasolenie środowiska

• Bardzo rozległe sieci par jonowych, których efektywność wzrasta wraz ze wzrastającym stężeniem soli

BAROFILE, METALOFILE, RADIOFILE I MIKROAEROFILE

• Barofile - organizmy żyjące w wysokich ciśnieniach

• Metalofile - organizmy żyjące przy wysokiej koncentracji metali

• Radiofile - organizmy żyjące przy wysokim promieniowaniu

• Mikroaerofile - organizmy rosnące przy < 21% stężeniu O₂

Ekstremofile ze względu na swe właściwości podzielone zostały na kilka grup:

Ekstremofile	Właściwości	Enzymy	Zastosowanie
termofile	Wysoka temperatura	Amylazy,ksylanazy,proteazy,DNA polimerazy	Piekarnictwo, browarnictwo, detergenty,
psychrofile	niska temperatura	Proteazy, dehydrogenazy, amylazy	Dojrzewanie serów, biowskażniki, detergenty
acidofile	Niskie pH	Utlenianie siarki	Odsiarczanie węgla
alkalofile	Wysokie pH	Celulazy, proteazy	Detergenty
halofile	Wysokie stężenie soli		Biopolimery, oligopeptydy
barofile	Wysokie ciśnienie	Całe mikroorgan.	Żele,granulki skrobi
metalofile	Wysoka koncentracja metali	Całe mikroorgan.	biomineralizacja
radiofile	Wysokie promieniowanie	Całe mikroorgan.	Oczyszczanie miejsc skażonych radionuklid
mikroaerofile	Wzrost <21%O2	Całe mikroorgan.

Jeżeli chodzi o ich wykorzystanie to nie prowadzi się hodowli takich mikroorganizmów z wiadomego powodu - warunki jakie są przez nie wymagane są trudne do stworzenia w laboratorium. A poza tym wiąże się to z kosztami. Dlatego też stosuje się metody rekombinacji DNA- wprowadza się geny takich ekstremofilnych bakterii do mikrobów pospolicie występujących.

Enzymy drobnoustrojów psychrofilnych

Mikroorganizmy można podzielić na 3 grupy w zależności od temperatury, w jakich żyją:

• psychrofile (T _opt = 10- 20^oC)

• mezofile (T _opt = 25-40^oC)

• termofile (T _opt = 50-55^oC)

PSYCHROFILE to organizmy bytujące w niskich temperaturach. Można je spotkać w zimnych wodach słodkich i morskich, w lodzie lodowców, w roślinach i ektotermicznych zwierzętach, żyjących w chłodnym klimacie a także w mrożonej lub chłodzonej żywności.

Najlepszym reprezentantem psychrofili jest Polaromonas vacuolata.

Wśród tej grupy wyróżniamy także Achromobacter, Flavobacterium, Xantomonas, Serratia, Escherichia, Acinetobacter, Micrococcus, Moraxella czy Lactobacillus.

Drobnoustroje psychrofilne nie ograniczają się tylko do Procariota, występują licznie wśród drożdży, grzybów nitkowatych i eukariotycznych jednokomórkowych glonów.

Organizmy te przystosowały się do życia w skrajnych warunkach poprzez różnego rodzaju adaptacje np.: błon, konstrukcji bialka i enzymów (w błonach komórkowych psychrofilii występuje dużo nienasyconych, niekiedy nieregularnie rozgałęzionych kwasów tłuszczowych).

Stosowane strategie przy produkcji enzymów przez bakterie:

• wzmożona synteza enzymów

• szybszy metabolizm

• istotna rola białek szoku zimna (csp)

• adaptacja kinetyczna

• synteza izozymów

• zintegrowanie enzymów z komórką

!!!!Warto zwrócić uwagę, że adaptacje molekularne nie dotyczą zmian w miejscu aktywnym w cząsteczkach tych białek ( dokonano porównania w stosunku do mezofili), obejmują one jednak zmiany w składzie aminokwasowym

Właściwości enzymów psychrofilnych:

• rozluźnienie struktury drugorzędowej powoduje zwiększenie dostępności miejsca aktywnego (zwiększenie elastyczności cząsteczki), jak również ułatwia stworzenie kompleksu E-S przy ograniczonej dyfuzji

• Zwiększenie ilości naładowanych aminokwasów na powierzchni pętli zwiększa interakcje z rozpuszczalnikiem

• Czasami zmniejszenie ilości proliny w pętlach

• Zwiększony udział glicyny i zmniejszony Arg (Arg+Lys) - zwiększa elastyczność cząsteczki

• Zmniejszony stosunek aminokwasów zasadowych ( większa giętkość łańcucha polipeptydowego)

• Zmniejszenie ilości wiązań wodorowych i mostków solnych

Zastosowanie:

• jako dodatek do detergentów (użycie psychrofilnej lipazy wytwarzanej przez zrekombinowany mezofilny szczep Aspergillus oryzae pod handlową nazwą Lipolase®)

• do produkcji sztucznego śniegu i lodów

• dehydrogenazy stosowane w biosensorach

• do produkcji olejów mikrobiologicznych

• w przemyśle spożywczym np. w celu uzyskania mleka bezlaktozowego

• stosowane są w dojrzewaniu serów

• piekarnictwo i piwowarstwo

• ochrona środowiaska - biodegradacja ksenobiotyków

Enzymy hipertermofilne

Spotykamy je u bakterii i archeonów.

Pierwszym odkrytym hipertermofilem był żyjący w gorącym i silnie zakwaszonym źródle - archean Sulfolobus acidocaldalrius. Rósł i rozmnażał się w temperaturze 85 stopni. Innym przykładem jest Pyrolobus fumarii - rośnie w ścianach kominów (105stopni - temp optymalna dla rozwoju, podczas gdy 90 - hamuje jego wzrost!).

Zastosowanie:

• reakcja PCR przy wykorzystaniu hipertermofila Pyrococcus furiosus (T _opt - 100)

• w procesie konwersji skrobi (oszczędność kosztów - nie trzeba by było przeprowadzać procesu chłodzenia)

Dodatkowe

Tak przy okazji co to są te Acheony?

Otóż podaczas badań nad ekstremofilami wyodrębniono jeszcze jena grupę organizmów. Charakteryzują się tym, że nie posiadają jądra - przypominają tym bakterie oraz posiadają geny które znajdują się u eukariota.

---