A alguns (microbis) els agrada la calor Understand article

Traduït per: Mariona Esquerda Ciutat. Les fonts volcàniques d’aigües bullint són la casa d’alguns microorganismes i la biotecnologia està trobant utilitats en aquests supervivents microscòpics.

Quan era un nen vaig visitar el parc nacional de Yellowstone, USA als 1990. De petit, visitant el parc nacional de Yellowstone, USA, als anys 90, recordo veure amb fascinació els colors brillants de les fonts termals que semblaven una pintura. La meva curiositat encara es va fer més gran en saber que aquells colors eren deguts a microorganismes, coses vivents que els encanta viure en condicions extremes. Per mi era molt estrany que alguna cosa pogués sobreviure en unes condicions de temperatura suficients com per provocar-te cremades severes. De la mateixa manera, vaig al·lucinar quan més tard vaig descobrir que enzims que digereixen la brutícia en els detergents provenen de microorganismes que viuen en ambients completament oposats, en aigua a uns pocs graus per sobre de la congelació. La vida, segons sembla, prospera en condicions que nosaltres consideraríem letals. Alguns dècades més tard la meva passió per la química i la meva fascinació per aquests microorganismes han donat lloc a una carrera estudiant-los a Islàndia, on és ara la meva terra adoptiva.

Què són els termòfils?

El món divers de la vida microbiana s’extèn per un rang de temperatures molt ampli, des de per sota del punt de congelació de l’aigua fina més enllà del punt d’ebullició. Els microbis que tenen preferència per els ambients calents s’anomenen termòfils (del grec “afinitat per la temperatura”) i són només un dels diversos tipus “d’extremòfils” que es poden trobar vivint en condicions extremes. Els termòfils no només toleren les altes temperatures, sinó què hi prosperen creixent millor en temperatures per sobre dels 50ºC. Els que creixen de manera òptima en un rang de temperatures per sobre dels 70ºC, anomenats hipertermòfils, i els organismes que prefereixen ambients freds, per sota els 15ºC, s’anomenen psicròfils (vegeu la figura 1).

Graph showing the optimum temperature range of several different microorganisms
Figura 1: Gràfic mostrant el rang de temperatura òptim per diferents organismes, incloent termòfils (en roig) i bacteris ordinaris (en verd). El Clostridium AK1 (en groc) és un microorganisme moderadament termòfil.
Sean Michael Scully/Nicola Graf
Maximum growth rate (optical density): Ritme de creixement màxim (densitat òptica), Psychrophilic boundary: Llindar dels Psicròfils, Thermophilic boundary: Llindar dels Termòfils, Hyperthermophilic boundary: Llindar dels Hipertermòfils.
 

Alguns fongs i algunes algues són capaces de créixer en ambients d’altes temperatures, però la gran majoria de termòfils són bacteris o uns microorganismes igual de petits anomenats arqueobacteris. Aquests organismes unicel·lulars en un principi estaven classificats juntament amb els bacteris per que no tenen nucli cel·lular. Tanmateix, uns estudis del seu complex ADN han revelat que els arqueobacteris són, de fet, més propers als organismes multicel·lulars com els humans que als bacteris. Ara es consideren com un dels tres dominis (super-regnes) ens els quals es classifiquen totes les formes de vida, juntament amb els bacteris i les eucariotes (cèl·lules amb nucli). Innumerables tipus d’arqueobacteris habiten la sopa química i termal que es pot trobar al voltant dels volcans submarins. Alguns científics sostenen que la vida va aparèixer en llocs com aquests, el quan suggereix que els termòfils tenen uns orígens molt antics.

Aquí, allí i per tot arreu

Des del 1966, quan per primer cop es van descobrir termòfils creixent a les fonts volcàniques del parc de Yellowstone, se n’han trobat en un ampli rang de llocs, des de l’oceà profund fins a les muntanyes de compostatge, també als escalfadors d’aigua domèstics i en les piscines de refredaments en els reactors nuclears. Fins i tot apareixen en menjar enllaunat com és el cas del bacteri Thermoanaerobacterium saccharolyticus. Aquest bacteri pot sobreviure els processos d’esterilització que destrueixen altres microorganismes i pot créixer a ritme lent dins de la llauna a baixes temperatures deixant com a residu un gas que de vegades pot fer explotar la llauna. El fet que els termòfils puguin viure en ambients tant diversos fa pensar que les seves espores estan distribuïdes per tot arreu esperant les condicions idònies per fer florir la vida.

El meu interès per els termòfils és particularment en els que viuen al voltant dels accidents geotèrmics com les fonts termals, les basses de fang bullint, guèisers de vapor, ventilacions volcàniques i ventilacions sulfuroses vapor anomenades solfatares. Aquests llocs es situen de manera dispersa al voltant del mon, des d’Itàlia i Islàndia fins a Yellowstone, als EEUU, i Kamchatka, a la Rússia de l’Est. L’aïllament geogràfic d’aquests accidents geotèrmics afavoreix que hi hagi espècies úniques de bacteris hi evolucionin, encara que alguns termòfils poden trobar-se en múltiples llocs.

Volcanically heated water provides ideal conditions for thermophiles in Iceland’s many geothermal hot spots
L’aigua escalfada per els volcans ofereix les condicions ideals per els termòfils en molts dels punts calents que hi ha a Islàndia, com és el cas d’aquesta font termal a Grensdalur.
Sean Michael Scully
 

Un altre aspecte interessant de les zones geotèrmiques com les fonts termals, és que sovint hi ha gradients de temperatura molt alts, les zones submergides en aigua són molt més calentes que les de la superfície. Diferents espècies de termòfils troben el seu lloc més adient a punts diferents al llarg del gradient de temperatures. Els termòfils que poden fer la fotosíntesi com els cianobacteris, viuen a les zones més fredes, mentre que els que no són tant acolorits estan restringits a viure a les zones de temperatures més extremes. El resultat és una “catifa microbiana” multicolor que ressegueix la roca, on cada zona de color representa la diferent bioquímica dels organismes presents, des del groc verdós d’aquells que poden fer la fotosíntesi, fins a les diverses tonalitats d’aquells que obtenen la seva energia metabolitzant hidrogen, ferro o compostos de sofre. Un exemple famós sobre catifes microbianes multicolors és pot veure a la Gran Font Prismàtica a Yellowstone, però el mateix fenomen es pot trobar a Islàndia i a mols altres llocs.

Grand Prismatic Spring in Yellowstone Park, USA.
Gran Font Prismàtica al parc de Yellowstone, USA. Els colors són deguts a una catifa de microbis formada per termòfils.
G_K_N/Flickr, CC BY-ND 2.0

Enzims a prova de foc

Els termòfils deuen la seva capacitat de sobreviure als seus enzims, les molècules que duen a terme la major part de la química de la vida, treballant com a catalitzadors en l’interior de les cèl·lules vives. Els enzims són proteïnes i la majoria de proteïnes es destrueixen a causa de les altes temperatures. Per exemple, fregeix un ou, la temperatura desnaturalitza les molècules de proteïna fent-les canviar la seva forma de manera permanent. En canvi, els enzims dels termòfils són estables a altes temperatures, de manera que no només hi poden seguir treballant en aquestes condicions sinó que a més temperatura més reaccionen.

Taq polymerase enzyme
L’enzim Taq polymerase,
derivat a partir d’un bacteri
termòfil i utilitzat en
replicació d’ADN

ibreakstock/Shutterstock.com
 

Un exemple molt famós sobre enzims tèrmicament estables és la Taq polimerasa, anomenat així per el Thermus aquaticus, un termòfil trobat a Yellowstone. L’enzim Taq avui en dia s’utilitza en laboratoris de tot el món en un procés anomenat reacció en cadena per la polimerasa (PCR, en anglès Polymerase Chain Reaction), en el qual es repliquen molècules d’ADN de mostres petites. Abans de la Taq, aquest era un procés laboriós i car que involucrava repetitius cicles d’escalfar i refredar, i afegir nous enzims (una polimerasa que es desnaturalitza quan s’escalfa) a cada estat fred. Amb la Taq, el procés és automàtic, es pot produir a altes temperatures i només requereix una baixa quantitat d’enzims. En cosa d’hores, el PCR basat en la Taq és capaç de copiar una única molècula d’ADN 100 mil milions de cops, i fer que una petitíssima mostra de fluid corporal de l’escena d’un crim contingui suficient material genètic per crear una empremta d’ADN.

Encara que el Taq PCR hagi revolucionat la biologia molecular i la medicina forense, els enzims termòfils no només són útils en laboratoris de genètica. L’ús d’aquests enzims s’està estenent en nombroses indústries, des de les alimentàries fins a fàbriques i produccions. Per exemple, el xarop de fructosa de blat de moro utilitzat per endolcir  begudes suaus es fa escalfant una solució de blat de moro fins al punt d’ebullició i digerint-ho amb una successió d’enzims termòfils que toleren altes temperatures. El fet de mantenir la solució a altes temperatures té més avantatges a part de fer el procés més ràpid, fa que el líquid sigui menys viscós i per tant fàcil de treballar-lo, a més manté a la vora els microorganismes que el farien malbé.

Una empenta als biocombustibles

Produir begudes dolces de manera més eficient no sembla ser un gran avanç per la societat, però hi ha altres aplicacions dels termòfils que podrien ser d’un gran benefici per el planeta. Potser el més significant d’aquests és el potencial us dels termòfils per produir biocombustibles (Scully & Orlygsson, 2014).

A més dels combustibles fòssils, el material organic més abundant a la Terra és la cel·lulosa, els carbohidrats durs i fibrosos que fan les plantes per sostenir les seves parets cel·lulars. La cel·lulosa és per tot arreu, és la major part de la massa de la fusta, cotó, paper i tot tipus de residus vegetals, de serradures a rostolls. Si es pogués trobar un mecanisme que transformés la cel·lulosa en biocombustible, seria una alternativa d’emissió-zero als combustibles fòssils.

Diversos termòfils són capaços de degradar la cel·lulosa per produir sucres o unes molècules de carbohidrats una mica més grans anomenades oligosacàrids que consisteixen en unes quantes molècules de sucre unides. Llavors aquests productes podrien ser fermentats i transformats en alcohol o hidrogen, els quals són bons combustibles. A més els termòfils també podrien ajudar en aquest segon pas. Encara que el llevat és el més utilitzat per fermentar sucres en alcohol, els termòfils poden fermentar una gran varietat de sucres. Per exemple, el bacteri Thermoanaerobacter ethanolicus, pot digerir la majoria de sucres que constitueixen la cel·lulosa com el xilosa, galactosa i mannosa produint alcohol (etanol) com a resultat.

El bacteri Clostridium thermocellum i el Caldicellulosiruptor saccharolyticus poden fins i tot dur a terme els dos processos per si sols, trencant la cel·lulosa directament i fermentant la glucosa resultant per donar lloc a una barreja de productes incloent hidrogen, àcid acètic i etanol.

Aquestes espècies són al focus de la recerca actual dels biocombustibles, però hi ha obstacles que s’han de superar. Un repte és trobar un termòfil que pugui tolerar alts nivells d’etanol sense ser enverinat, un pas que pot requerir modificacions genètiques. Alternativament es pot anar retirant l’etanol constantment de manera que no arribi a nivells tòxics.

Perspectives de futur

El potencial tecnològic i comercial dels organismes termòfils és enorme. A l’any 1991, l’empresa de biotecnologia americana que va desenvolupar la tècnica del Taq PCR va vendre la seva patent per 300 milions de dòlars, però cap dels ingressos va retornar al parc nacional de Yellowstone, la font original dels enzims. Avui en dia hi ha regulacions estrictes que determinen què poden o no poden treure de la zona els “bioprospectors” i a més asseguren que els futurs beneficis derivats de l’extracció seran compartits. Aquestes mesures poden ajudar a assegurar la supervivència d’aquests ecosistemes únics i preciosos per trobar nous usos biotecnològics i inspirar futures generacions de científics en potència.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

Author(s)

Sean Michael Scully és un professor a la Universitat d’Akureyri al nord d’Islàndia. Després d’iniciar la seva carrera científica als EEUU i dedicar un temps treballant a la indústria química, va emigrar cap a Islàndia. La seva formació és en química orgànica i microbiologia. La seva recerca es centra en l’aplicació biotecnològica dels bacteris extremòfils i els seus enzims.


Review

Aquest article anima als lectors a indagar sobre els organismes microscòpics anomenats termòfils i el seu enorme potencial tecnològic. Els termòfils són l’excepció de la norma en relació a la seva activitat enzimàtica, de manera que l’article pot ser utilitzat com a estímul per aquests temes com, funció enzimàtics, metabolisme cel·lular i la microbiologia i les seves aplicacions.

També es podria utilitzar aquest articles com un exercici de comprensió, incloent-hi preguntes com les següents:

  • Com afecta l’entorn físic de la cèl·lula a l’activitat enzimàtica?
  • Com es podria utilitzar bacteris termòfils per protegir el nostre planeta contra els gasos d’efecte hivernacle?

Aquest article es podria fer servir també de base d’una classe d’art, amb fotografies dels termòfils acolorits actuant com un estímul de la bellesa de la natua per els estudiants.


Alina Giantsiou-Kyriakou, professora de biologia, Livadia High School, Larnaca, Cyprus




License

CC-BY