HALOFILY: KLASIFIKACE, OSMÓZA, APLIKACE, PŘÍKLADY - BIOLOGIE - 2025

Tyto halofilní organismy jsou kategorie mikroorganismů, a to jak prokaryotes a eukaryotes, který je schopen reprodukovat a žít v prostředí s vysokou koncentrací soli, jako jsou mořské vody a hypersalinní vyprahlých oblastech. Termín halophile pochází z řeckých slov halos a filo, což znamená „milovník soli“.

Organismy zařazené do této kategorie také patří do velké skupiny extremofilních organismů, protože se rozmnožují v lokalitách s extrémní slaností, kde by většina živých buněk nemohla přežít.

Saliny, prostředí extrémní slanosti, kde se proliferují extrémní halofilní buňky. H. Zell, z Wikimedia Commons.

Ve skutečnosti naprostá většina existujících buněk rychle ztrácí vodu, když je vystavena médiím bohatým na sůl, a právě tato dehydratace v mnoha případech rychle vede k smrti.

Schopnost halofilních organismů žít v těchto prostředích je způsobena skutečností, že mohou vyrovnat svůj osmotický tlak ve vztahu k životnímu prostředí a udržovat svou izosmotickou cytoplazmu s extracelulárním prostředím.

Byly klasifikovány na základě koncentrace soli, ve které mohou žít v extrémních, mírných, slabých a halotolerantních halofilech.

Někteří zástupci halofilních jsou zelená řasa Dunaliella salina, korýš rodu Artemia nebo vodní blecha, houby Aspergillus penicillioides a Aspergillus terreu.

Klasifikace

Ne všechny halofilní organismy jsou schopné proliferace v širokém rozmezí koncentrací solí. Naopak, liší se mírou slanosti, kterou jsou schopni tolerovat.

Tato úroveň tolerance, která se mění mezi velmi specifickými koncentracemi NaCl, slouží k jejich klasifikaci jako extrémní, střední, slabé a halotolerantní halofily.

Skupina extrémních halofilů zahrnuje všechny organismy, které jsou schopny osídlit prostředí, kde koncentrace NaCl překračují 20%.

Následují mírné halofily, které proliferují při koncentracích NaCl mezi 10 a 20%; a slabé halofily, které tak činí při nižších koncentracích, které se pohybují mezi 0,5 a 10%.

Konečně halotolerantes, jsou organismy, které jsou schopné podporovat pouze nízké koncentrace soli.

Osmóza a slanost

Existuje celá řada prokaryotických halofilů schopných odolávat vysokým koncentracím NaCl.

Tato schopnost vydržet slané podmínky, které se liší od nízké, ale vyšší než ty, které většina živých buněk je schopna tolerovat, až po ty extrémní, byly získány díky vývoji více strategií.

Hlavní nebo centrální strategií je vyhnout se následkům fyzického procesu známého jako osmóza.

Tento jev se týká pohybu vody polopropustnou membránou z místa s nízkou koncentrací solutů do místa s vyšší koncentrací.

Pokud tedy v mimobuněčném prostředí (prostředí, ve kterém se organismus vyvíjí) jsou koncentrace soli vyšší než koncentrace v cytosolu, ztratí vodu ven a dehydratuje až k smrti.

Mezitím, aby se zabránilo této ztrátě vody, ukládají ve své cytoplazmě vysoké koncentrace solutů (solí), aby kompenzovaly účinky osmotického tlaku.

Adaptivní strategie pro zvládnutí slanosti

Halofilní bakterie. Maulucioni na základě obrázků z Commons, z Wikimedia Commons.

Některé ze strategií používaných těmito organismy jsou: syntéza enzymů schopných udržet svou aktivitu při vysokých koncentracích soli, fialové membrány, které umožňují růst pomocí fototropie, senzory, které regulují fototaktickou reakci, jako je rodopsin, a plynové váčky, které podporují jejich růst. plovoucí.

Kromě toho je třeba poznamenat, že prostředí, ve kterém tyto organismy rostou, je velmi proměnlivé, což vytváří riziko jejich přežití. Proto vyvíjejí další strategie přizpůsobené těmto podmínkám.

Jedním ze měnících se faktorů je koncentrace solutů, která je důležitá nejen v hypersalinových médiích, ale v jakémkoli prostředí, kde deště nebo vysoké teploty mohou způsobit vysychání a následně variace osmolarity.

Pro zvládnutí těchto změn vyvinuly halofilní mikroorganismy dva mechanismy, které jim umožňují udržovat hyperosmotickou cytoplazmu. Jeden z nich se jmenoval "salt-in" a druhý "salt-out"

Mechanismus zasolení

Tento mechanismus provádí Archeas a Haloanaerobiales (přísné anaerobní mírné halofilní bakterie) a spočívá ve zvýšení interních koncentrací KCl v jejich cytoplazmě.

Vysoká koncentrace soli v cytoplazmě je však vedla k molekulárním úpravám pro normální fungování intracelulárních enzymů.

Tyto úpravy v podstatě spočívají v syntéze proteinů a enzymů bohatých na kyselé aminokyseliny a chudých na hydrofobní aminokyseliny.

Omezení pro tento typ strategie je, že ty organismy, které ji provádějí, mají nízkou schopnost přizpůsobit se náhlým změnám osmolarity, což omezuje jejich růst na prostředí s velmi vysokými koncentracemi solného roztoku.

Mechanismus vysolení

Tento mechanismus používají kromě halofilních methanogenních archaea jak halofilní, tak i nehalogfilní bakterie.

V tomto, halofilní mikroorganismus provádí osmotickou rovnováhu pomocí malých organických molekul, které mohou být syntetizovány nebo odebrány z média.

Těmito molekulami mohou být polyoly (jako je glycerol a arabinitol), cukry, jako je sacharóza, trehalosa nebo glukosyl-glycerol nebo aminokyseliny a deriváty kvartérních aminů, jako je glycin-betain.

Všechny mají vysokou rozpustnost ve vodě, nemají žádný náboj při fyziologickém pH a mohou dosáhnout hodnot koncentrace, které umožňují těmto mikroorganismům udržovat osmotickou rovnováhu s vnějším prostředím, aniž by to ovlivnilo fungování jejich vlastních enzymů.

Tyto molekuly mají navíc schopnost stabilizovat proteiny proti teplu, vysychání nebo zamrzání.

Aplikace

Halofilní mikroorganismy jsou velmi užitečné pro získání molekul pro biotechnologické účely.

Tyto bakterie nepředstavují velké potíže s kultivací kvůli nízkým nutričním požadavkům v jejich médiích. Jejich tolerance k vysokým koncentracím fyziologického roztoku minimalizuje riziko kontaminace, což z nich činí výhodnější alternativní organismy než E. coli.

Navíc kombinací své výrobní kapacity s odolností vůči extrémním slaným podmínkám jsou mikroorganismy velmi zajímavé jako zdroj průmyslových produktů, a to jak ve farmaceutické, kosmetické, tak v biotechnologické oblasti.

Nějaké příklady:

Enzymy

Mnoho průmyslových procesů je vyvíjeno za extrémních podmínek, které nabízejí oblast použití pro enzymy produkované Extremofilními mikroorganismy, schopné působit při extrémních hodnotách teploty, pH nebo slanosti. Byly tedy popsány amylázy a proteázy používané v molekulární biologii.

Polymery

Podobně halofilní bakterie jsou výrobci polymerů s povrchově aktivními látkami a emulgačními vlastnostmi, které jsou v ropném průmyslu velmi důležité, protože přispívají k těžbě ropy z podloží.

Kompatibilní soluty

Soluty, které se tyto bakterie hromadí v cytoplazmě, mají vysokou stabilizační a ochrannou sílu enzymů, nukleových kyselin, membrán a dokonce celých buněk, proti zamrzání, vysoušení, denaturaci teplem a vysoké slanosti.

To vše se používá v enzymové technologii i v potravinářském a kosmetickém průmyslu k prodloužení životnosti produktů.

Biodegradace odpadu

Halofilní bakterie jsou schopné rozkládat toxické zbytky, jako jsou pesticidy, léčiva, herbicidy, těžké kovy a procesy těžby ropy a plynu.

Potraviny

V oblasti potravin se podílejí na výrobě sojové omáčky.

Reference

1. Dennis PP, Shimmin LC. Evoluční divergence a slanost zprostředkovaná selekce v halofilní Archaea. Microbiol Mol Biol Rev. 1997; 61: 90-104.
2. González-Hernández JC, Peña A. Adaptační strategie halofilních mikroorganismů a Debaryomyces hansenii (halofilní kvasinky). Latinskoamerický žurnál mikrobiologie. 2002; 44 (3): 137-156.
3. Oren A. Bionergetické aspekty halofilismu. Microbiol Mol Biol Rev. 1999; 63: 334-48.
4. Ramírez N, Sandoval AH, Serrano JA. Halofilní bakterie a jejich biotechnologické aplikace. Rev Soc Ven Microbiol. 2004; 24: 1-2.
5. Wood JM, Bremer E, Csonka LN, Krämer R, Poolman B, Van der Heide T, Smith LT. Osmosensing a osmoregulační kompatibilní soluty akumulace bakteriemi. Comp Biochem Physiol. 2001; 130: 437-460.