ekstremofile organismer
Store norske leksikon,Biologi,Vitenskapsgrener i biologien,Begreper innen biologi
Ekstremofile organismer er mikroorganismer som kan vokse under ytre forhold som oppfattes ekstremt for mennesker. Dette kan være høy eller lav temperatur, høy saltholdighet, høy eller lav surhetsgrad, høyt trykk eller høy stråling. Begrepet 'ekstremofil' ble først brukt i 1972 da man begynte å få kunnskap om slike organismer og gruppen viser stort mangfold. Mange finnes innenfor domenet Archaea (arkebakterier), men det er også ekstremofile organismer innenfor domenet Eubacteria (bakterier). De ulike ekstremofile organismene har utviklet særegne egenskaper som gjør at de er tilpasset de ekstreme forholdene de lever under.
Ekstremofile organismers biologi kan også fortelle noe om egenskapene til de første levende organismer på Jorda, eller om livet på andre planeter. Slik kunnskap har dessuten ført til at de blir brukt både i industriell og praktisk sammenheng. Hypertermofile ekstremofile Hypertermofile organismer lever på steder der temperaturen er over 90°C. Mange er anaerobe og lever av uorganiske forbindelser som hydrogengass, hydrogensulfid eller svovel. Fotosyntese er ikke mulig ved så høye temperaturer. Disse organismene er primærprodusenter der de lever, det vil si at de produserer organisk materiale fra uorganiske forbindelser.På landjorda finner vi hypertermofile organismer i varme kilder på Island, i New Zealand og i Yellowstone Park i USA. Her er omgivelsene rike på svovelforbindelser og det er i tillegg surt fordi organismene produserer svovelsyre. Sulfolobus er vanlig å se på disse stedene, samt nær vulkaner.Det finnes også undersjøiske vulkaner, både på grunt vann og på store havdyp. Mange hypertermofile arkebakteriene lever på slike steder. Pyrodiction er eksempel på en slekt som tåler langt over 100°C. Arten P. fumaris vokser best ved 113°C. En hypertermofil, metandannende arkebakterie i slekten Methanopyrus, har rekorden og vokser ved 122°C. De fleste proteiner blir ødelagt (denaturert) ved høye temperaturer fordi den tredimensjonale strukturen svekkes slik at proteinene ikke lenger fungerer. Hypertermofile organismer må dermed gjøre noen molekylære tilpasninger for å tåle de høye temperaturene. Proteinene i disse organismene ikke er vesentlig forskjellige fra tilsvarende proteiner hos ikke-termofile organismer. De har imidlertid en sammensetning av aminosyrer som gjør dem tettere pakket og mer vannavstøtende (hydrofobe) enn hos ikke-termofile. De har også flere ionebindinger (saltbroer) på overflaten. I tillegg har de spesielle varmesjokkproteiner, kalt chaperoner som hjelper til med å folde proteinene korrekt når de syntetiseres og som kan folde proteinet tilbake til sin opprinnelige struktur hvis de skulle bli denaturert.Membranen hos hypertermofile organismer har ikke det samme doble laget av fosfolipider som andre organismer har, men har derimot et gjennomgående enkelt lag som er bundet sammen av sterke bindinger.Både arvematerialet og ribosomene hos hypertermofile organismer er beskyttet mot høy temperatur ved hjelp av små, stabiliserende molekyler som for eksempel spermidin. Dessuten har ribosomene en betydelige høyere andel av CG (cytosin-guanin) baser i sine RNA-molekyler, mens DNA molekylene ikke skiller seg fra andre. Bindingen mellom C og G i nukleinsyrene er som kjent sterkere enn mellom A (adenin) og T (tymin eller U for uracil). Enzymene hos termofile organismer blir ikke ødelagt ved høye temperatur og blir mye brukt i industriell og annen sammenheng. Vaskemidler inneholder for eksempel enzymer fra slike organismer.Det mest kjente og beste eksempelet på bruken av et hypertermofilt enzym er Taq-polymerase som er isolert fra den hypertermofile bakterien Thermus aquaticus. Taq-polymerase tåler 95°C og blir brukt i PCR (polymerase chain reaction) for å kopiere opp DNA. I det første trinnet i PCR varmes DNA-prøven opp til 95°C for at de to trådene skal gå fra hverandre. Deretter brukes en polymerase for å danne nytt DNA. Bruken av PCR ble revolusjonert og altomfattende da det ble mulig å bruke en termostabil polymerase i reaksjonsblandingen. Psykrofile ekstremofile Psykrofile organismer vokser ved temperaturer ned mot -10°C, men vokser best ved +15°C. De finnes i store mengder under isen i Arktis og Antarktis.Permafrostbakterien Planococcus halocryophilus vokser ved -15°C som hittil er den laveste målte temperatur for vekst. Proteinene hos psykrofile organismer er løsere pakket enn hos organismer som vokser ved høyere temperaturer. Proteinene er dermed mer fleksible og krever mindre energi for å fungere enn proteiner fra mesofile og termofile organismer. Membranene har stor fluiditet fordi de er rike på umettede fettsyrer, og i tillegg inneholder cellene antifrysestoffer og kuldebeskyttende molekyler. Acidofile og alkalifile organismer Alle mikroorganismer har et pH-område som er ideelt for deres vekst. De som vokser ved pH lavere enn 5,5 kalles acidofile, mens de som vokser ved pH 8 eller over kalles alkalifile.Noen acidofile vokser ved pH 2, mens andre må ha pH under 1. De organismene som vokser under slike forhold skaffer seg energi ved å oksidere uorganiske forbindelser. I gruver kan man finne både bakterier og arkebakterier som lever på uorganiske, reduserte forbindelser og produserer syrer, for eksempel svovelsyre.Den mest acidofile organismen som er kjent er en arkebakterie, Picrophilus oshima som vokser best ved pH 0,7 og 60°C.Alkalifile mikroorganismer finnes på områder der forholdene er alkaliske, for eksempel i saltsjøer. De best undersøkte alkalifile organismen er bakterier innenfor slekten Bacillus. En art, B. firmus, kan vokse innenfor et bredt område av pH, fra 7,5 til 11. Cellemembranen ser ut til å være av stor betydning for ekstremt acidofile organismer. Hvis organismen utsettes for høyere pH, ødelegges cellen og den sprekker. Det kan tyde på at høy konsentrasjon av protoner (H+-ioner) inne i cellen er absolutt nødvendig for å opprettholde stabilitet.De ekstremt alkalifile har dårlig tilgang på protoner og bruker en Na+-pumpe istedenfor en protonpumpe i energikrevende reaksjoner. Barofile ekstremofile Noen organismer tåler høyt trykk, men vokser ikke optimalt under slike forhold. De er barotolerante. Andre, ekstremt barofile er helt avhengige av høyt trykk for å vokse og trives best ved 300–400 atmosfærer (atm). Ekstremt barofile arkebakterier finnes på bunnen av store havdyp over 10 000 meter, for eksempel på Marianegropen i Stillehavet. DNA-syntese, proteinsyntese og transport av næring og avfallsstoffer påvirkes av høyt trykk. Vi kjenner kun til noen av tilpasningene som gjør at disse organismene kan overleve høyt trykk. De er ikke bare barofile, men også psykrofile fordi temperaturen på havbunnen er 2°C. De har en større andel av umettede fettsyrer i membranene som øker fluiditeten og hindrer at de stivner.Det er gjort forsøk med Gram-negative, barofile bakterier som blir utsatt for stadig økende trykk. Forsøkene viste at når trykket blir ekstremt høyt, så danner organismene spesielle proteiner som erstatter de vanlige porene den ytre membranen. Halofile ekstremofile Halofile organismer krever mer enn ni prosent NaCl i omgivelsene for å vokse og kan finnes i saltsjøer som Dødehavet og Salt Lake i USA. Blant de halofile organismene er slekten Halobacterium (rødmiddbakterier) godt undersøkt. Halobacterium er også vanlige i saltleier hvor det produseres havsalt. Her er de lette å oppdage fordi de inneholder store mengder rødfargete karotenoider, som beskytter mot sterkt sollys. Ekstremt halofile er avhengig av store mengder Na+-ioner i omgivelsene for å vokse. For at konsentrasjonen av disse ionene ikke skal bli for høy inne i cellen, pumper de Na+ ut. Samtidig pumper de inn store mengder K+ -ioner for å opprettholde den osmotiske balansen med omgivelsene. Dessuten har proteinene et høyt innhold av negativt ladde aminosyrer, som binder Na+.Celleveggen hos Halobacterium består av glykoproteiner som stabiliseres av Na+-ioner. Ved mangel på Na+, ødelegges strukturen og cellen sprekker. De halofile organismene er kjemoheterotrofe og lever på aminosyrer eller andre syrer.Halobacterium har dessuten en helt spesiell form for fotosyntese. Den inneholder ikke klorofyll, men under forhold med lav konsentrasjon av O2, produserer Halobacterium en såkalt purpurmembran med store mengder av et protein, bakteriorhodopsin, som er bundet til retinal. Når retinal absorberer lys med bølgelengde 570 nm (grønt lys) frigjøres protoner som forflyttes over cellemembranen. Bakteriorhodopsinet fungerer dermed som en protonpumpe og forårsaker en protongradient som i sin tur brukes til å produsere energi i form av ATP. Denne formen for fotosyntese er helt spesiell for Halobacterium og er ikke forbundet med fiksering av CO2. Forskerne som først krystalliserte bakteriorhodopsin og beskrev den tredimensjonale strukturen av proteinet, fikk Nobelprisen i kjemi i 1988. Stoffet er forholdsvis lett å isolere i store mengder og kan omdanne sollys til en elektrokjemisk gradient eller til elektrisitet – en egenskap som gjør stoffet nyttig innenfor forsking, optisk industri og medisin. Ekstrem stråling Bakterien Deinococcus radiodurans ble oppdaget i 1956, da man forsøkte å bruke sterk stråling for å sterilisere mat på boks. Å sterilisere betyr å drepe alt levende, men i dette tilfellet viste det seg helt uventet at en art av bakterier likevel overlevde i beste velgående. Etter at den ble beskrevet og undersøkt, viste det seg at bakterien var ganske vanlig og fantes utbredt overalt hvor det finnes organisk materiale. Den er påvist både i ekskrementer fra elefanter og på tørre steder i Antarktika.Bakteriene er kuleformete (kokker), de finnes parvis eller fire sammen og inneholder karotenoider som gir dem rød farge. Bakterien må ha oksygen og lever av å bryte ned sukkerarter, ulike syrer og mer komplekse forbindelser. Det helt spesielle ved D. radiodurans er imidlertid evnen til å motstå stråling. Det finnes ingen steder på Jorda hvor det normalt er så høye doser av stråling som det D. radiodurans tåler, så det er vanskelig å forklare hvorfor den i det hele tatt har utviklet denne egenskapen. Det har vært foreslått at evnen til å tåle høy stråling har sammenheng med å tåle stor grad av tørke fordi stråling og tørke skader DNA molekylene på samme måte. Når D. radiodurans eller andre levende organismer utsettes for høy stråling eller sterk tørke, brytes arvestoffet, DNA-molekylene, opp i biter. De fleste bakterier har arvestoffet samlet på ett ringformet kromosom mens D. radiodurans har arvestoffet fordelt på to sirkulære kromosomer. I tillegg er det mellom fire og ti kopier av de sirkulære kromosomene, derfor kan bakterien klare seg godt selv om flere av kopiene blir sterkt skadet. Bakterien har også et protein, Rec A som uhyre effektivt reparerer skader på DNA. Deinococcus radiodurans har vist seg å være nyttig for samfunnet. Mange steder er det et problem å bli kvitt farlig avfall, som for eksempel inneholder metaller og giftige forbindelser. En måte å fjerne slikt avfall er å bruke mikroorganismer som bryter ned det farlige avfallet til ufarlige forbindelser. Dette kalles bioremediering. Slikt avfall finnes ofte på steder med sterk stråling, som dreper de bakteriene som vanligvis brukes til å fjerne avfall. D. radiodurans derimot tåler den sterke strålingen og har vært brukt praktisk til dette formålet. Med utgangspunkt i D. radiodurans er det konstruert en superbakterie som tåler sterk stråling, og kan bryte ned mange giftige forbindelser. Superbakterien fjerner ikke strålingen, men sørger for at man blir kvitt uønskete forbindelser. Les mer i Store norske leksikon arker bakterier hydrotermiske undervannskilder