Neki (mikroorganizmi) to vole vruće Understand article

Tanasije Rakić (Biološki fakultet, Univerzitet u Beogradu). Užareli vulkanski izvori predstavljaju stanište izvanrednim mikroorganizmima, i sada biotehnologija pokušava da nađe primenu za ove male izdržljivce.

Kao dete sam posećivao Nacionalni park Yellowstone, SAD, devedesetih, sećam se da sam bio jako uzbuđen kada sam video jarke boje u izvorima, koje su podsećale na umetničke slike. Bio sam još više zaintrigiran kada sam naučio da su izvori obojeni zbog mikroorganizama – živih bića koje zapravo vole tako ekstremna okruženja. Bilo mi je čudno da išta može da preživi u uslovima toliko vrelim da mogu da nanesu ozbiljnu opekotinu. Takođe sam bio zapanjen kada sam otkrio da enzimi za uklanjanje fleka u prašku dolaze od organizama koji žive na drugom kraju spektra – u vodi koja je samo nekoliko stepeni iznad tačke zamrzavanja. Život, izgleda, može da buja u uslovima koje smo nekada smatrali smrtonosnim. Nekoliko decenija kasnije moja ljubav prema hemiji i moja fascinacija prema ovim organizmima me je dovela do karijere proučavanja istih na Islandu, koji je sada moja druga domovina.

Šta su termofili?

Raznovrsni svet mikroba se proteže kroz čitav raspon temperatura, od ispod tačke zamrzavanja do iznad tačke ključanja. Mikrobi koje više vole vrelu sredinu se nazivaju termofili (od grčkog za “ljubitelj toplote”) i samo su jedan od raznih vrsta ‘ekstremofila’ koji se mogu naći u sredinama sa ekstremnim uslovima.Termofili ne samo da tolerišu toplotu oni itekako napreduju na njoj, najbolje se umnožavaju na temperaturama preko 50°C. Oni kojima se optimalni raspon temperature nalazi iznad 70°C su poznati kao hipertermofili, a organizmi koji više vole hladno okruženje (ispod 15°C) se nazivaju psihrofili. (pogledati Sliku 1).

Graph showing the optimum temperature range of several different microorganisms
Slika1 : Grafik pokazuje optimalni temperaturni opseg nekoliko mikroorganizama, uključujući termofile (prikazani crveno) i obične bakterije (zeleno). Clostridium AK1 (žuto) je umereno termofilan.
Sean Michael Scully/Nicola Graf
Maximum growth rate (optical density): Maksimalna stopa rasta (optička gustina);
Psychrophilic boundary: Psihrofilna granica;
Thermophilic boundary: Termofilna granica;
Hyperthermophilic boundary: Hipertermofilna granica;
E. coli CCSC: E. coli CCSC;
Thermoanaerobacterium AK17: Thermoanaerobacterium AK17;
Clostridium AK1: Clostridium AK1;
Paenibacillus VH0107: Paenibacillus VH0107;
Thermoanaerobacter AK15: Thermoanaerobacter AK15

 

Nekoliko gljiva i algi bujaju u vrelim okruženjima, ali većina termofila su bakterije ili jednako sićušni mikroorganizmi poznati kao arheje. Ovi jednoćelijski organizmi su nekada bili klasifikovani kao bakterije jer ne poseduju organizovano jedro. Radovi o njihovom izuzetno složenom DNK su otkrili da su arheje srodnije višećelijskim organizmima kao što su ljudi nego što sa bakterijama. Sada se smatra da sačinjavaju jedan od tri domena u koje se svrstavaju svi oblici života, zajedno sa domenima bakterija i eukariota (organizmi sa organizovanim jedrom). Mnoštvo tipova arheja naseljavaju vrelu hemijsku supu oko podvodnih vulkanskih izvora na dnu mora. Neki naučnici misle da je život nastao na takvim mestima, što nam govori da ovi termofili imaju veoma drevno poreklo.

Ovde, tamo i svugde

Od 1966., kada su termofili prvi put otkriveni u vrelim vulkanskim izvorima Yellowstone-a, pronađeni su na ogromnom rasponu mesta, od dubokog mora do hrpa đubriva, u bojlerima i bazenima za hlađenje u nuklearnim reaktorima. Čak se pojavljuju i u konzervama sa hranom: bakterija Thermoanaerobacterium saccharolyticus može da preživi process sterilizacije koji uništava druge mikroorganizme, i onda može da se razmnožava polako na nižim temperaturama unutar konzerve, što dovodi do nagomilavanja gasa – nekad sa eksplozivnim rezultatima. Činjenica da se termofili mogu naći na raznovrsnim mestima nam govori da su njihove spore verovatno široko rasprostranjene, čekajući povoljne uslove da se povrate u život. 

Ja se konkretno interesujem za termofile koji žive oko geotermalnih pojava kao što su gejziri, ključajući bazeni blata, parni gejziri, vulkanski ventovi i ventovi sulfurne pare nazvani solfatare. Ovakva mesta su razbacana na čitavoj planeti, od Italije do Islanda, do Yellowstone-a u SAD i Kamčatke na Ruskom dalekom istoku. Geograska izolacija ovih prostora koja ih na neki način čini ostrvima, omogućava da se  na svakom od njih razviju jedinstvene vrste, mada se neke vrste termofila mogu naći na više lokacija.

Volcanically heated water provides ideal conditions for thermophiles in Iceland’s many geothermal hot spots
Voda zagrejana radom vulkana pruža idealne uslove za termofile na mnogim geotermalno-aktivnim mestima na Islandu, kao što je ovaj izvor u Grensdalur-u.
Sean Michael Scully
 

Još jedna interesantna osobina geotermalnih lokacija kao što su izvori je da je često prisutan gradijent temperature: dublje zone su toplije, dok su one bliže ivicama vodenog basena hladnije. Različiti termofili nalaze prijatnu nišu na različitim mestima na gradijentu. Termofili koji mogu da vrše fotosintezu kao što su cijanobakterije, žive na hladnijem kraju gradijenta, dok su manje obojeni tipovi ograničeni na vrele ekstreme. Rezultat je šaren “mikrobijalni tepih” koji prekriva kamen, gde svaka zona sa svojom bojom predstavlja jedinstvenu biohemiju prisutnih organizama, od žuto-zelenih boja onih koji vrše fotosintezu do raznolikih nijansi onih koji energiju dobijaju razlaganjem jedinjenja vodinika, gvožđa ili sumpora. Poznat primer mikrobnih tepiha se može videtu kod Grand Prismatic Spring-a u Yellowstone-u, ali ista pojava se može videti i na geotermalnim pojavama na Islandu ili na drugim mestima.

Grand Prismatic Spring in Yellowstone Park, USA.
Grand Prismatic Spring u nacionalnom parku Yellowstone, SAD. Boje se vide zbog mikrobijalnih tepiha koje formiraju termofili.
G_K_N/Flickr, CC BY-ND 2.0

Enzimi otporni na toplotu

Termofili duguju svoje sposobnosti preživljavanja njihovim enzimima – molekulima koji vrše većinu hemijskih životnih procesa, funkcionišu kao katalizatori unutar živih ćelija. Enzimi su proteini, a većinu proteina uništava toplota. Ispržite jaje, na primer, i toplota denaturiše molekule proteina, dovodeći do toga da im se struktura raspliće i oni neprovatno menjaju oblik. Nasuprot tome, enzimi termofila su stabilni i na visokim temperaturama, što im omogućava ne samo da nastavljaju da funkcionišu nego i da funkcionišu brže, jer više temperature dovode do bržih stopa reakcije.

Taq polymerase enzyme
Enzim Taq polimeraza,
ekstrahovan iz termofilne
bakterije i korišćen u DNK
replikaciji.

ibreakstock/Shutterstock.com
 

Poznati primer termostabilnog enzima je Taq polimeraza, nazvana po Thermus aquaticus, termofilu koji je otkriven u Yellowstone-u. Taq polimeraza se sada koristi u laboratorijama širom sveta u procesu nazvanom reakcija lančane polimerizacije (poznatija pod engleskim nazivom polymerase chain reaction – PCR), u kojem se umnožavaju DNK molekuli od malih uzoraka. Pre Taq-a, ovo je bila naporna i skupa procedura koja je obuhvatala ponovljene cikluse zagrevanja i hlađenja, gde se svež enzim (polimeraza koja se denaturiše pri zagrevanju) dodaje tokom svakog hlađenja. Upotrebom Taq-a, process je automatizovan i odvija se na viskoj temperature, i potrebna je samo mala količina enzima. Za nekoliko sati, PCR baziran na Taq-u može da pretvori jedan DNK molekul u 100 milijardi kopija, i tako mali uzorak telesnih tečnosti na mestu zločina donosi dovoljno naslednog materijala da se napravi DNK profil.

Iako je Taq PCR unapredio molekularnu biologiju i forenziku, enzimi termofila nisu samo upotrebljivi u genetskoj laboratoriji. Oni takođe polako ulaze u upotrebu u sve većem broju industrija, od proizvodnje hrane i pića do proizvodnje tkanine. Na primer, kukurzni sirup bogat fruktozom koji se koristi za zaslađivanje gaziranih pića se proizvodi zagrevanjem sivkaste smeše kukuruznog skroba do tačke ključanja i tretiranja nizom enzima otpornih na toplotu koji potiču od termofila. Održavanje smeše vrelom ima više prednosti, sem što ubrzava reakciju visoke temperature, održava smešu viskoznom što je čini lakom za rad, takođe sprečava razvijanje drugih mikroorganizama koji mogu da izazovu kvarenje.

Stimulacija za biogoriva

Efikasnija proizvodnja slatkih napitaka možda i ne deluje kao veliki korak napred za društvo, ali postoje druge primene termofila koje mogu biti jako korisne za planetu. Možda najvažnija je potencijalna upotreba termofila za proizvodnju biogoriva (Scully & Orlygsson, 2014).

Sem fosilnih goriva, najzastupljeniju organsku materiju na Zemlji predstavlja celuloza – otporni, vlaknasti ugljani hidrat proizveden od strane biljaka da bi očvrsnuo njihov ćeliski zid. Celuloza je svuda oko nas: sačinjava većinu mase kod drveta, pamuka, papira i svakakvog biljnog otpada, od piljevine do strništa. Ako se osmisli procedura koja bi efikasno pretvarala celulozu u biogorivo, pružala bi alternativu fosilnim gorivima.

Nekoliko termofila su sposobni da razlažu celulozu i da proizvedu proste šećere ili malo veće molekule uglenih hidrata koji se nazivaju oligosaharidi i sastoje se od nekoliko povezanih molekula prostih šećera. Ovi proizvodi bi onda mogli da budu fermentisani da bi se od njih dobio alkohol ili vodonik, od kojih oba mogu da se koriste kao gorivo. Termofili takođe mogu da obavljaju ovaj drugi korak. Iako se kvasac masovno upotrebljava za proizvodnju alkohola iz šećera, termofili mogu da fermentišu više vrsta šećera. Bakterija Thermoanaerobacter ethanolicus, na primer, može da razloži veliki broj šećera koji grade celulozu, kao što su ksiloza, galaktoza i manoza, dajući alkohol (etanol) kao proizvod.

Bakterije Clostridium thermocellum Caldicellulosiruptor saccharolyticus mogu samostalno da odrade oba ova koraka, razlažući celulozu i fermentišući rezultujuću glukozu, dajući smešu proizvoda uključujući vodonik, sirćetnu kiselinu i etanol.

Ovakve vrste su glavna tema trenutnog istraživanja biogoriva, međutim postoje prepreke koje treba prevazići. Jedna poteškoća je naći termofila koji može da toleriše visoku koncentraciju etanola a da sam ne bude otrovan, što se možda može rešiti genetskom modifikacijom. Drugo rešenje bi bilo konstantno otklanjati višak etanola iz kulture, pre nego što dostigne toksičan nivo.

Buduće mogućnosti

Tehnološki potencijal termofilnih organizama je ogroman, kao i njihov komercijalni potencijal. Godine 1991., američka biotehnološka kompanija koja je razvila PCR uz pomoć Taq polimeraze je prodala svoj patent za 300 miliona dolara, ali ništa od tog novca se nije vratilo nazad u nacionalni park Yellowstone, izvor enzima. Danas, stroge zakonske mere određuju koje organizme možemo uzeti sa lica mesta, što garantuje da se buduća zarada od tog genetskog resursa deli. Takve mere možda pomognu da se očuvaju ovi prelepi i jedinstveni ekosistemi, sa potencijalnom ulogom u daljem razvoju biotehnologija, i da inspirišu buduće generacije naučnika.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

Author(s)

Sean Michael Scully je predavač na univerzitetu Akureyri na severu Islanda. Nakon što je započeo svoju naučnu karijeru u SAD i nakon što je proveo nešto vremena radeći u hemijskoj industriji, preselio se na Island. Ima iskustva u organskoj hemiji kao i u mikrobiologiji. Njegova istraživanja su uglavnom na temu biotehnološke primene ekstremefilnih bakterija i njihovih enzima.


Review

Ovaj članak izaziva čitaoce da saznaju više o mikroskopskim živim organizmima koji se nazivaju termofili i njihovom izvanrednom tehnološkom potencijalu. Termofili su izuzetak od pravila kada se govori o njihovoj enzimskoj aktivnosti, tako da članak može da se upotrebi kao podloga za teme kao što su funkcija enzima, ćelijski metabolizam, kao i mikrobiologija i njene primene.

Ovaj članak takođe može da se koristi kao vežba za razumevanje gradiva, sa pitanjima kao što su:

  • Kako fizičko okruženje ćelije utiče na njenu enzimsku aktivnost?
  • Kako možemo da upotrebimo termofilne bakterije da zažtitimo našu planetu od efekta staklene bašte?

Takođe može formirati osnovu za čas  likovnog vaspitanja, sa slikama raznobojnih termofila koje služe kao inspiracija učenicima za oslikavanje lepota prirode.


Alina Giantsiou-Kyriakou, profesor biologije, srednja škola Livadia, Larnaka, Kipar




License

CC-BY