Psychofil - Psychrophile

Kriofile lub cryophiles (ADJ. Psychrofilowe lub zimnolubnych) są ekstremofilowe organizmów , które są zdolne do wzrostu i rozmnażania się w niskich temperaturach w zakresie od -20 ° C do +10 ° C. Można je znaleźć w miejscach, w których jest stale zimno, takich jak regiony polarne i głębiny morskie. Można je skontrastować z termofilami , czyli organizmami, które rozwijają się w niezwykle wysokich temperaturach, oraz mezofilami w temperaturach pośrednich. Psychrofil to po grecku „kochający zimno”, od ψυχρός ( psukhrós : zimny, mrożony).

Wiele takich organizmów to bakterie lub archeony , ale niektóre eukarionty, takie jak porosty , algi śnieżne , grzyby i bezskrzydłe muszki , są również klasyfikowane jako psychrofile.

Biologia

W liszaj Xanthoria elegans może nadal fotosyntezy w -24 ° C.

Siedlisko

Zimne środowiska, w których żyją psychrofile, są wszechobecne na Ziemi, ponieważ duża część powierzchni naszej planety doświadcza temperatur niższych niż 15 °C. Występują w wiecznej zmarzlinie , lodzie polarnym, lodowcach , polach śnieżnych i głębokich wodach oceanicznych . Organizmy te można również znaleźć w kieszeniach lodu morskiego o wysokim zasoleniu. Aktywność mikrobiologiczna została zmierzona w glebach zamrożonych poniżej -39°C. Oprócz limitu temperatury, psychrofile muszą również dostosować się do innych ekstremalnych ograniczeń środowiskowych, które mogą powstać w wyniku ich siedliska. Ograniczenia te obejmują wysokie ciśnienie w głębinach morskich oraz wysokie stężenie soli na niektórych lodzie morskim.

Adaptacje

Psychrofile są chronione przed zamarzaniem i ekspansją lodu przez wysuszenie i zeszklenie wywołane lodem (zeszklenie), o ile powoli się ochładzają. Wolno żyjące komórki wysychają i zeszkliją w temperaturze od -10 °C do -26 °C. Komórki organizmów wielokomórkowych mogą witryfikować w temperaturach poniżej -50 °C. Komórki mogą nadal wykazywać pewną aktywność metaboliczną w płynie pozakomórkowym aż do tych temperatur i pozostają żywotne po przywróceniu normalnej temperatury.

Muszą również przezwyciężyć usztywnienie ich lipidowej błony komórkowej, ponieważ jest to ważne dla przetrwania i funkcjonalności tych organizmów. Aby to osiągnąć, psychrofile dostosowują struktury błon lipidowych, które mają wysoką zawartość krótkich, nienasyconych kwasów tłuszczowych . W porównaniu z dłuższymi nasyconymi kwasami tłuszczowymi, włączenie tego typu kwasów tłuszczowych umożliwia lipidowej błonie komórkowej niższą temperaturę topnienia, co zwiększa płynność błon. Ponadto w błonie znajdują się karotenoidy , które pomagają modulować jej płynność.

Białka zapobiegające zamarzaniu są również syntetyzowane, aby utrzymać płynność przestrzeni wewnętrznej psychrofilów i chronić ich DNA, gdy temperatura spada poniżej punktu zamarzania wody. W ten sposób białko zapobiega powstawaniu lodu lub procesowi rekrystalizacji.

Postawiono hipotezę, że enzymy tych organizmów angażują się w zależność aktywność-stabilność-elastyczność jako metoda adaptacji do zimna; elastyczność ich struktury enzymatycznej wzrośnie jako sposób na skompensowanie efektu zamrażania ich środowiska.

Niektóre kriofile, takie jak bakterie Gram-ujemne Vibrio i Aeromonas spp., mogą przejść w stan żywotny, ale nienadający się do hodowli (VBNC) . Podczas VBNC mikroorganizm może oddychać i wykorzystywać substraty do metabolizmu – jednak nie może się replikować. Zaletą tego stanu jest to, że jest wysoce odwracalny. Dyskutowano, czy VBNC jest aktywną strategią przetrwania, czy w końcu komórki organizmu nie będą już mogły się odrodzić. Istnieją dowody, ale może być bardzo skuteczne – bakterie Gram-dodatnie Actinobacteria żyły około 500 000 lat w warunkach wiecznej zmarzliny Antarktydy, Kanady i Syberii.

Zakres taksonomiczny

Bezskrzydły pryszczarka ( Chironomidae ) Belgica antarctica .

Psychrofile obejmują bakterie, porosty, grzyby i owady.

Wśród bakterii, które tolerują ekstremalne zimno są Arthrobacter sp., Psychrobacter sp. oraz członkowie rodzajów Halomonas , Pseudomonas , Hyphomonas i Sphingomonas . Innym przykładem jest Chryseobacterium greenlandensis , psychrofil znaleziony w lodzie sprzed 120 000 lat.

Umbilicaria antarctica i Xanthoria elegans to porosty, które fotosyntetyzują w temperaturach do -24°C i mogą rosnąć do około -10 °C. Niektóre wielokomórkowe eukarionty, takie jak niektóre drzewa iglaste, mogą być również aktywne metabolicznie w temperaturach poniżej zera; te zrodziny Chironomidae są nadal aktywne w temperaturze -16°C.

Penicillium to rodzaj grzybów występujących w wielu różnych środowiskach, w tym w ekstremalnie niskich temperaturach.

Wśród owadów psychrofilnych, Grylloblattidae lub pełzacze lodowe, występujące na szczytach gór, mają optymalną temperaturę w zakresie 1-4 °C. Bezskrzydły komar (Chironomidae) Belgica antarctica toleruje sól, jest zamrożony i silny w ultrafiolecie i ma najmniejszy znany genom ze wszystkich owadów. Uważa się, że mały genom , liczący 99 milionów par zasad , jest przystosowany do ekstremalnych środowisk.

Owady psychotroficzne

Owady, które są psychotroficzne, mogą przetrwać niskie temperatury dzięki kilku ogólnym mechanizmom (w przeciwieństwie do owadów oportunistycznych i podatnych na chłód): (1) tolerancja na chłód, (2) unikanie mrozu i (3) tolerancja na mróz. Owady tolerujące chłód poddają się mrozom po dłuższym wystawieniu na łagodne lub umiarkowane mrozy. Owady unikające zamrażania mogą przetrwać dłuższy czas w temperaturach poniżej zera w stanie przechłodzonym, ale giną w punkcie przechłodzenia . Owady odporne na zamarzanie mogą przetrwać tworzenie się kryształków lodu w swoim ciele w temperaturach poniżej zera. Twierdzi się, że tolerancja na zamrażanie u owadów jest ciągła, a niektóre gatunki owadów wykazują częściową (np. Tipula paludosa , Hemideina thoracica ), umiarkowaną (np. Cryptocercus punctulatus ) i silną tolerancję na zamrażanie (np. Eurosta solidaginis i Syrphus ribesii ) , oraz inne gatunki owadów wykazujące tolerancję na zamrażanie z niską temperaturą przechłodzenia (np. Pytho deplanatus ).

Bakterie psychotroficzne

Mikroby psychotroficzne mogą rosnąć w temperaturach poniżej 7 ° C (44,6 ° F), ale mają lepsze tempo wzrostu w wyższych temperaturach. Bakterie i grzyby psychrotroficzne mogą rosnąć w temperaturach chłodniczych i mogą być odpowiedzialne za psucie się żywności oraz jako patogeny przenoszone przez żywność, takie jak Yersinia . Dają one oszacowanie trwałości produktu, ale można je również znaleźć w glebie, w wodach powierzchniowych i głębinowych, w ekosystemach Antarktyki oraz w żywności.

Bakterie psychotroficzne są przedmiotem szczególnej troski w przemyśle mleczarskim . Większość ginie przez pasteryzację ; jednak mogą być obecne w mleku jako zanieczyszczenia po pasteryzacji z powodu nieodpowiednich praktyk sanitarnych. Według Wydziału Nauk o Żywności Uniwersytetu Cornell , psychrotrofy to bakterie zdolne do wzrostu w temperaturach poniżej 7°C (44,6°F). W temperaturach ujemnych wzrost bakterii psychrotroficznych staje się nieistotny lub praktycznie ustaje.

Wszystkie trzy podjednostki enzymu RecBCD są niezbędne do fizjologicznej aktywności enzymu u antarktycznych Pseudomonas syringae , czyli naprawy uszkodzeń DNA i wspomagania wzrostu w niskiej temperaturze. Enzymy RecBCD są wymienne między psychrofilnymi P. syringae i mezofilnymi E. coli, gdy są dostarczane z całym kompleksem białkowym z tego samego gatunku. Jednak białka RecBC (RecBCP i RecBCec) dwóch bakterii nie są równoważne; RecBCEc jest biegły w rekombinacji i naprawie DNA i wspiera wzrost P. syringae w niskiej temperaturze, podczas gdy RecBCP jest niewystarczające do tych funkcji. Wreszcie, zarówno aktywność helikazy, jak i nukleazy RecBCDP są ważne dla naprawy DNA i wzrostu P. syringae w niskiej temperaturze, aktywność nukleazy RecB nie jest istotna in vivo.

Psychrofil kontra psychrotrof

W 1940 roku ZoBell i Conn stwierdzili, że nigdy nie spotkali „prawdziwych psychrofilów” lub organizmów, które najlepiej rosną w stosunkowo niskich temperaturach. W 1958 r. JL Ingraham poparł to stwierdzeniem, że jest bardzo niewiele bakterii, które pasują do podręcznikowych definicji psychrofilów lub prawdopodobnie nie ma ich wcale. Richard Y. Morita podkreśla to, używając terminu psychrotrof na określenie organizmów, które nie spełniają definicji psychrofilów. Pomieszanie terminów psychrotrofy i psychrofile rozpoczęło się, ponieważ badacze nie byli świadomi termolabilności organizmów psychrofilnych w temperaturach laboratoryjnych. Z tego powodu pierwsi badacze nie określili kardynalnych temperatur dla swoich izolatów.

Podobieństwo między tymi dwoma polega na tym, że oba są zdolne do wzrostu w temperaturze zerowej, ale optymalna i górna granica wzrostu jest niższa dla psychrofilów w porównaniu z psychrotrofami. Psychrofile są również częściej izolowane z siedlisk trwale zimnych w porównaniu z psychrotrofami. Chociaż enzymy psychrofilne pozostają niewystarczająco wykorzystywane, ponieważ koszt produkcji i przetwarzania w niskich temperaturach jest wyższy niż w przypadku enzymów komercyjnych, które są obecnie w użyciu, uwaga i odrodzenie zainteresowania badawczego psychrofilami i psychrotrofami przyczyni się do poprawy jakości środowisko i chęć oszczędzania energii.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura