Adaptacions dels procariotes a temperatures extremes

 1. Introducció

A la Terra podem trobar multitud d’hàbitats que es diferencien, entre ells, per factors com la temperatura,  el pH, la salinitat, etc. Segons quins d’aquests paràmetres considerem, trobarem uns organismes o uns altres adaptats a aquestes condicions. A temperatures extremes, els organismes, moren immediatament o són incapaços de reproduir-se. Però fa uns seixanta anys, es va descobrir que certs microorganismes procariotes van desenvolupar certes adaptacions per poder viure en ambients amb aquestes temperatures. En canvi, no es coneix cap eucariota capaç de sobreviure en aquestes condicions.

El metabolisme dels procariotes pot ser molt diferent entre ells. Per aquest motiu són un grup molt divers, i els podem trobar en un ampli rang de temperatura. Podem distingir quatre grups principals de microorganismes segons en rang de temperatura en el qual els trobem:

	Temperatura
Hipertermòfils	80-113ºC
Termòfils	Per sobre dels 45ºC
Mesòfils	15-35ºC
Psicròfils	5-15ºC

Taula1: Classificació dels procariotes segons les seves temperatures òptimes de creixement.

Els psicròfils es troben als oceans, a les profunditats marines, en àrees permanentment congelades de l’Àrtic i l’Antàrtic. Per altra banda, els hipertermòfils i termòfils es localitzen en fonts termals i/o ambients d’aigües calentes. Tot i així, actualment, es poden trobar microorganismes termòfils en fonts tèrmiques artificials, així com escalfadors d’aigua. Els organismes més termòfils són espècies d’arqueus. 

Fig.1: Llocs on podrien existir diferents microorganismes extremòfils

2. Estratègies d’adaptació dels procariotes a les temperatures extremes

a) Estabilitat de la molècula

Perquè un organisme pugui crèixer en altes temperatures, especialment tan altes com les dels hipertermòfils (>80ºC  ), tots els components cel·lulars, ja sigui proteïnes, àcids nucleics o lípids, han de ser estables a la calor. Algunes característiques no covalents pertanyen a les proteïnes termoestables:

-Relació superfície-volum baixa, que confereix una forma compacta de la proteïna.

-Reducció en el contingut de glicina que tendeix a eliminar les opcions de flexibilitat, i, per tant, introduir rigidesa a la molècula.

-Enllaç iònic extens a través de la superfície de la proteïna, que ajuda a compactar i resistir el desplegament a altes temperatures.

A més d’aquests factors d’estabilitat intrínseca, hi ha unes proteïnes especials anomenades Xaperones, sintetitzades per hipertermòfils. Són proteïnes de xoc tèrmic, és a dir, que faciliten el plegament d’altres proteïnes en la seva forma activa i uneixen complexos proteics. 

Els termòfils tenen un enzim gairebé exclusiu, la girasa inversa. Aquesta té un paper important en l’estabilitat del DNA. És una topoisomerasa que introdueix superenrotllament positiu al DNA. Sembla ser, que aquest superenrotllament ajuda a la termoestabilitat de la cadena de DNA.

Nivells alts de G i C  s'associen amb una major estabilitat termodinàmica de les molècules d'ARNm a la temperatura de creixement, això és degut  a que aquestes bases nitrogenades estan unides per tres ponts d’hidrogen.

Els hipertermòfils contenen proteïnes d’unió a DNA termoprotectores, que tenen la funció de mantenir la doble cadena de DNA en altes temperaturas. I en concentracions altes de magnesi estabilitzen les molècules neutralitzant els grups fosfats.

b) Estabilitat de la membrana

La calor pot afectar a l’estabilitat de la membrana. Com ja sabem, les membranes cel·lulars estan formades per una bicapa lipídica. Si apliquem suficient calor, aquesta membrana es separarà, danyant la membrana citoplasmàtica i donant lloc a fuites. 

Per evitar que això passi a temperatures extremes, els psicròfils tenen membranes amb lípids rics en àcids grassos poliinsaturats, amb un major número de dobles enllaços i, per tant, amb un punt de fusió més baix. Aquests, mantenen les membranes funcionals i en estat semifluid a baixes temperatures. 

Al contrari que els termòfils, que presenten lípids rics en àcids grassos saturats que formen un ambient més hidrofòbic, afavorint l’estabilitat de la membrana.

Els hipertermòfils han desenvolupat una estructura de membrana nova. No presenten àcids grassos en la seva membrana, sinó hidrocarburs que s’adhereixen químicament als residus hidròfobs (gràcies a un enllaç éter al glicerol fosfat). Formen una monocapa lipídica (probablement més estable que la bicapa) i eviten el trencament de la membrana a altes temperaturas, ja que l’enllaç éter és més estable que l’enllaç éster (habitual en els lípids). La monocapa lipídica pot variar lleugerament entre espècies dins del domini dels Archaea, però és una resposta evolutiva a la vida en altes temperatures.

3. Exemples i aplicacions

Hipertermòfils

Un exemple d’arqueu és el Pyrococcus furiosus. Aquest organisme habita en aigües termals. El seu rang òptim de temperatura es troba al voltant dels 100ºC. . Va ser el primer hipertermòfil descobert i van veure que els seus enzims i proteïnes són resistents al xoc tèrmic i a radiacions.

Fig. 2 Pyrococcus furiosus

Com a exemple de bacteri hipertermòfil tenim Aquifex pyrophilus. Aquests bacteris creixen prop de volcans subaquàtics o fonts hidrotermals. Bacteris com Aquifex són importants per processos industrials i els seus gens es poden fer servir en aplicacions biotecnològiques.

Termòfils

El més conegut és Thermus aquaticus, descobert en aigües termals al Parc Nacional de Yellowstone. L’ingredient clau per la supervivència de T. aquaticus va ser una variant especial de l’enzim DNA polimerasa. Aquest enzim s’utilitza durant el procés de separar el DNA en dos cadenes. Que normalment l’enllaç és destruït per la calor, T. aquaticus utilitza una variant que serveix en altes temperatures. Aquesta variant (coneguda com Taq polimerasa) és un ingredient clau per la reacció en cadena de la polimerasa (PCR). La taq polimerasa és estable a altes temperaturas, i per tant, roman activa fins i tot després de la desnaturalització de l'ADN. D’aquesta manera, elimina la necessitat d'afegir més polimerasa a la reacció després de cada cicle. Això permet l'automatització del procés.

 

Fig.3 Parc Nacional de Yellowstone.

Geobacillus stearothermophilus és un bacteri que el podem trobar en el sòl, en fonts termals i sediments oceànics. S’utilitza freqüentment per realitzar proves de validació en el procés d’esterilització, com per exemple l’autoclau.

Psicròfils

Polaromonas vacuolata, psicròfil que trobem en aigües de l’Antàrtic, amb una temperatura òptima de 4ºC, tot i que és capaç de viure en ambients a 0ºC.

En aigües subglaciars, com el llac Vostock a l’Antàrtida, podem trobar bacteris com el Hydrogenophilus thermoluteolus, a temperatures de -3ºC.

Fig.4 Distància a la qual es troba Hydrogenophilus thermoluteolus al llac Vostock.

Psychromonas ingrahamii és un psicròfil que pot viure en ambients de fins a-15ºC, va ser aïllat del llac Elson a Point Barrow, Alaska, de l'interfície gel-aigua. 

4.Video relacionat 

Extremophiles in hot water

Al video ens parlen sobre els extremòfils que es troben als ”hot springs” de Nova Zelanda.

 

5. Conclusió

En conclusió, els microorganismes que presenten adaptacions a temperatures extremes tenen unes característiques moleculars i membranoses diferents a les dels microorganismes mesòfils. Aquestes diferències, ens són útils en el camp de la biotecnologia, ja que ens ofereixen avantatges per processos industrials. És el cas de la Taq polimerasa, una DNA polimerasa aïllada de Thermus aquaticus, que és capaç de realitzar reaccions bioquímiques a altes temperatures. Aquests enzims són més estables fent que la vida mitjana d’aquestes preparacions enzimàtiques sigui més llarga. 

6. Bibliografia

http://www.mhhe.com/biosci/genbio/raven6b/graphics/raven06b/enhancementchapters/raven30_enhancement.html   

http://www.astro.wisc.edu/~townsend/static.php?ref=diploma-6

http://quizlet.com/10952572/12-bacteria-and-archaea-adaptations-to-temperature-extremes-flash-cards/

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2951671/   Publicado en Internet el 28 de febrero 2010, vist el 24-02-13

http://www.teara.govt.nz/en/life-in-hot-springs/page-2 Bruce Mountain. “La vida a les aigües termals – termòfils”, Et Ara – l’enciclopèdia de Nova Zelanda, actualitzat el 13-juliol-12 
URL: http://www.TeAra.govt.nz/en/life-in-hot-springs/page- 2

Madigan, M T, Martinko, J M, Dunlap, P V & Clark, D P (2009). Brock biología de los microorganismos (12). Pearson Educación.

Moselio Schaechter, John L. Ingraham, Fredeick C. neidhardt (2009). Microorganismes. Reverte

http://www.soe.ucsc.edu/%7Elowe/pubs/Lowe-pub-2006-C.pdf      Ernest Williams et al (2006). “Microarray analysis of the hyperthermophilic archae on Pyrococcus furiosus exposed to gamma irradiation.” Juny 2007.

http://www.ciencialimada.com.ar/2011/02/extremofilos-la-prueba-de-la-extrema.html

Autors del blog: Ester Solsona, Oscar Soler, Quim Soler, Josep Roig  i Laura Molins