Экстремофильные микроорганизмы процветают в суровых условиях, где другие организмы не могут даже выжить. Экстремофилы широко распространены и представляют собой функционально разнообразную группу организмов, которая включает термофилов, психрофилов, ацидофилов, алкалофилов, галофилов, барофилов, металофилов и радиофилов.
У экстремофилов есть потенциал для производства биомолекул высокой релевантности для белых, серых и красных биотехнологических секторов.
Эти микроорганизмы продуцируют экстремофильные ферменты (экстремозимы) и защитные органические биомолекулы (экстремолиты), которые передают свойства, необходимые для выживания в экстремальных условиях окружающей среды.
Экология и классификация экстремофилов
Экстремофилы – это организмы, которые приспособились к процветанию в экологических нишах, непригодных для жизни для других, например, глубоководные гидротермальные источники, горячие источники, сульфатные поля, содовые озера, внутренние соленые системы, солнечные солевые установки, горячие и холодные пустыни, окружающая среда, сильно загрязненная ядерными отходами или тяжелыми металлами, а также литиевая или горная среда.
Психрофилы – это экстремофилы, которые приспособлены к сильному холоду, а галофилы описывают тех, которые процветают в присутствии высоких концентраций соли. Каждый тип микроорганизмов использует различные стратегии выживания, чтобы добиться успеха в 4 своих условиях
Психрофильные прокариоты широко распространены среди бактерий и археев и могут быть обнаружены в родах Aletromonas, Halobacterium, Shewanella, Psychrobacter, Pseudoalteromonas, Arthrobacter, Colwellia, Gelidibacter, Marinobacter, Psychroflexus, Pseudomonas, Methanolobus и др.
В дополнение к адаптации для кислой среды, ацидофилы также обычно адаптированы к средам с высокими температурами, высокой соленостью или концентрациями тяжелых металлов, потому что эти условия часто встречаются, например, в зонах кислотного дренажа.
В то же время алкалофилы процветают в щелочных средах, таких как почвы на основе гипса или озера с содой, и часто являются галофилами. К ним относятся бактерии различных родов, в том числе Bacillus, Halomonas и Pseudomonas, а также археи из родов Halalkalicoccus, Halobiforma, Halorubrum, Natrialba, Natronococcus и Natronorubrum.
В глубоководных подземных средах находятся пьезофилы (барофилы) – группа экстремофилов, которые продуцируют совместимые растворители и полиненасыщенные жирнех кислоты и образуют мультимерные и антиоксидантные белки, которые позволяют им выживать при чрезвычайно высоких гидростатических давлениях.
Большинство пьезофилов являются психрофильными грамотрицательными бактериальными видами, которые принадлежат к родам Shewanella, Psychromonas, Photobacterium, Colwellia, Thioprofundum и Moritella, но некоторые из них являются археями и встречаются среди родов Thermococcus, Sulfolobus и Pyrococcs.
Адаптация к высоким концентрациям тяжелых металлов (в остальном необходимых в качестве микроэлементов) позволяет металлофилам процветать на участках, загрязненных металлами.
Металлофилы также являются ацидофилами и включают в себя как бактерии из родов Acidithiobaccoillus, Leptospirillum, Alicyclobacillus, Acidiphilium, Acidiphilium, Acidimicrobium, Ferrimicrobium и Sulfobaccoillus и археи из рода Acroplasma, Acidiplasma, Sulfolobus.
В средах с высоким окислительным стрессом и радиацией (УФ, гамма и рентгеновское излучение) радиофилы процветают благодаря своей способности к восстановлению обширных повреждений ДНК.
Радиофилы обнаружены среди различных микробных групп и видов, включая бактерии родов Deinococcus, Bacillus, Rubrobacter и Kineococcus; семейство Geodermatophilaceae и цианобактерии, включая роды Nostoc и Chroococcidiopsis.
Потенциальное применение экстремофильных бактерий и архей
Биокатализаторы – это целые микробные клетки или ферменты, которые могут быть использованы в биохимических реакциях 3-х современных биотехнологий.
Интерес к биокатализаторам в последнее время возрос с ростом и развитием биотехнологий как стратегии достижения экономики, основанной на биоиспользовании:
1. Белая (или промышленная) биотехнология направлена на решение экологических и экономических проблем, связанных с ростом спроса на энергию и топливо и последующими ценами на нефтепродукты. Она использует биокатализаторы для преобразования возобновляемых ресурсов, таких как отходы и побочные продукты, в химические вещества, биополимеры, биоматериалы и биотопливо.
2. Серые (или экологические) биотехнологии применяют биокатализаторы для биорекультивации загрязненных участков.
3. А красные (или медицинские и фармацевтические) биотехнологии используют микроорганизмы для производства фармацевтических препаратов.
Заключение
Таким образом, в последнее время расширяется поиск новых источников выделения, экспериментальных процедур и аналитических методов для выявления надежных биокатализаторов.
В частности, экстремофилам уделяется все больше внимания, некоторые из них были получены в чистой культуре, их геномы проанализированы, а их ферменты охарактеризованы либо академическими, либо промышленными лабораториями.