Bazıları (mikroplar) sıcağı sever Understand article

Kavurucu volkanik sular bazı olağanüstü mikroorganizmalara ev sahipliği yapmaktadır ve günümüzde biyoteknoloji buralarda yaşayan mikroskobik canlıları kullanım alanları bulmaktadır.

1990larda ABD’deki Yellowstone Milli Park’ını ziyaret eden bir çocuk olarak, parlak, boya benzeri renkleri görmek için çok heyecanladığımı hatırlıyorum. Hatta bu renklerin, bu tür ekstrem ortamları gerçekten seven canlılara, mikroorganizmalara bağlı olduğunu öğrendiğimde daha da ilgimi çekti. Size ciddi bir yanık verecek kadar sıcak koşullarda, bir şeyin hayatta kalabilmesini tuhaf buldum. Ayrıca, daha sonra toz deterjandaki kir parçalayıcı enzimlerin, donma noktasının sadece birkaç derece üzerindeki suda, başka zıt sıcaklıkta yaşayan organizmalardan geldiğini keşfettiğimde bu beni daha da şaşırttı. Öyle görünüyor ki hayat, bir zamanlar ölümcül olduğunu düşündüğümüz koşullarda bile gelişebilir. Birkaç on yıl sonra kimya sevgim ve bu organizmalara duyduğum hayranlık, şu anda benim vatan olarak benimsediğim İzlanda’da onları çalıştığım bir kariyere dönüştü.

Termofiller Nelerdir?

Mikrobiyal yaşamın çeşitliliği, suyun donma noktasının altından, kaynama noktasının ötesine kadar tüm sıcaklık aralığını kapsar. Sıcak ortamları tercih eden mikroplara termofiller (Yunanca, ‘ısı sevenler’) denir ve ekstrem koşullarda yaşayan çeşitli ‘ekstremofil’ türlerinden sadece bir tanesidir. Termofiller yalnızca ısıyı tolere etmezler, 50 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda en iyi şekildeçoağalırlar.70 °C’nin üzerinde optimum sıcaklık aralığına sahip olanlar hipertermofiller olarak bilinir ve serin ortamları (15 °C’nin altında) tercih eden organizmalara psikrofiller denir (bkz. Şekil 1).

Şekil 1: Grafik, termofiller (kırmızı ile gösterilmiştir) ve sıradan bakteriler (yeşil) de dahil olmak üzere birkaç farklı mikroorganizmanın optimum sıcaklık aralığını göstermektedir. Clostridium AK1 (sarı) orta derecede termofiliktir.
Sean Michael Scully/Nicola Graf

Sıcak ortamlarda birkaç mantar ve alg gelişir, ancak termofillerin büyük çoğunluğu bakteri veya arke olarak bilinen eşit derecede küçük mikroorganizmalardır. Bu tek hücreli organizmalar bir zamanlar hücre çekirdeklerinden yoksun oldukları için bakteri olarak sınıflandırılmıştır. Şaşırtıcı şekilde karmaşık DNA’larının çalışmaları, arkelerin aslında bakterilere göre insan gibi çok hücreli organizmalarla daha yakın olduklarını ortaya koymuştur. Şimdi, bakteri ve ökaryotların (hücre çekirdeği olan organizmalar) yanı sıra, arkeler tüm yaşam biçimlerinin sınıflandırıldığı üç alandan (superkingdom-üst âlem) biri olarak nitelendirilir. Sayısız arke türü, deniz tabanındaki volkan bacası (ağzı) çevresinde bulunan kaynar kimyasal çorbada yaşar. Bazı bilim insanları, yaşamın böyle yerlerde başladığını düşünüyor, bu da termofillerin çok eski kökenleri olduğunu düşündürüyor.

Burada, orada ve her yerde

1966’dan beri, termofillerin ilk kez Yellowstone’un sıcak volkanik su kaynaklarında büyüdükleri keşfedildiğinde, derin denizden kompost yığınlarına, ev tipi su ısıtıcılarına ve nükleer reaktörlerdeki soğutma havuzlarına kadar arkeler çok çeşitli yerlerde bulunmuşlardır. Konserve yiyeceklere bile giriyorlar: Thermoanaerobacterium saccharolyticus adlı bakteri, diğer mikroorganizmaları tahrip eden sterilizasyon işlemine dayanabiliyor ve daha sonra kutu içinde düşük sıcaklıklarda yavaşça büyüyebilir, bu da bazen patlayıcı sonuçlar veren gaz birikmesine sebep olabilir. Termofillerin bu kadar farklı yerlerde yollarını bulmaları, sporlarının yaygın olduğunu, doğru koşulları beklediklerini ve böylece hayata geri dönebileceklerini gösteriyor.

Özel ilgi alanım, kaplıcalar, kaynayan çamur havuzları, buharlı gayzerler, volkanik delikler ve solfataralar (kükürtatar) denilen sülfürlü buhar delikleri gibi jeotermal özelliklerin çevresinde yaşayan termofillerdir. Bu bölgeler, İtalya ve İzlanda’dan ABD’deki Yellowstone’a ve Rusya Uzak Doğusu’ndaki Kamçatka’ya kadar dünyanın farklı bölgelerine yayılmış durumdadır. Bu ada benzeri bölgelerin coğrafi izolasyonu, bazı termofil türlerin birçok yerde bulunmasına rağmen, her birinde benzersiz türlerin gelişmesine izin vermiştir.

Volcanically heated water provides ideal conditions for thermophiles in Iceland’s many geothermal hot spots
Volkanik olarak ısınmış su, İzlanda’nın Grensdalur’daki bu kaplıca gibi jeotermal sıcak noktalarındaki termofiller için ideal koşullar sağlar.
Sean Michael Scully

Kaplıcalar gibi jeotermal alanların bir diğer ilginç özelliği, genellikle keskin bir sıcaklık gradyanı olmasıdır: daha derin su altı bölgeleri daha sıcaktır, havuzun kenarına doğru olanlar daha serindir. Farklı termofiller, gradyan boyunca farklı noktalarda rahat bir niş bulurlar. Siyanobakteriler gibi fotosentez yapabilen termofiller gradyanın daha serin ucunda yaşarken, daha az parlak renkli olanlar aşırı termal uçlarda bulunurlar. Sonuç, kayaları örten çok renkli bir “mikrobiyal mat” tır ve fotosentez yapanların sarı-yeşil renklerinden, hidrojen, demir veya sülfür bileşiklerini metabolize ederek enerji elde edenlerin çeşitli tonlarından her bir renk bölgesi mevcut organizmaların farklı biyokimyasını temsil eder. Yellowstone’daki Grand Prismatic Spring’da renkli mikrobiyal matların ünlü bir örneği sergileniyor, ancak İzlanda’daki ve diğer yerlerdeki jeotermal özelliklerde de aynı fenomen görülebilir.

Grand Prismatic Spring in Yellowstone Park, USA.
ABD, Yellowstone Milli Park’ındaki Grand Prismatic Spring Gölü. Renkler, termofiller tarafından oluşturulan mikrobiyal matlardan kaynaklanır.
G_K_N/Flickr, CC BY-ND 2.0

Isıya Dayanıklı Enzimler

Termofiller, hayatta kalma becerilerini canlı hücrelerin içinde katalizör olarak çalışan yaşam kimyasının çoğunu gerçekleştiren moleküller olan enzimlerine borçludur. Enzimler proteinlerdir ve çoğu protein ısı ile tahrip edilir. Örneğin, bir yumurtayı kızarttığınızda ısı, protein moleküllerini denatüre ederek, çözülmelerini ve kalıcı bir şekilde şekil değiştirmelerini sağlar. Buna karşılık, termofil enzimler yüksek sıcaklıklarda kararlıdır, sadece çalışmaya devam etmelerine izin vermekle kalmaz, aynı zamanda normal enzimlerden daha hızlı çalışmalarını sağlar, çünkü yüksek sıcaklıklar daha hızlı reaksiyon oranları anlamına gelir.

Taq polymerase enzyme
Taq polimeraz enzimi termofilik bir bakteriden elde edilir ve DNA replikasyonunda kullanılır.

ibreakstock/Shutterstock.com

Taq polimeraz, Yellowstone’da bulunan bir termofil olan Thermus aquaticus‘un adını taşıyan ısıya dayanıklı ünlü bir enzimdir. Taq enzimi dünya çapında laboratuvarlarda, küçük örneklerden DNA moleküllerini kopyalayan polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) adı verilen bir işlemde kullanılmaktadır. Taq’dan önce, bu işlem, her soğutma aşamasında ilave edilen taze enzim (ısıtmada denatüre edilmiş bir polimeraz) ile tekrar ısıtma ve soğutma aşamalarını içeren zahmetli ve pahalı bir prosedürdü. Taq kullanılarak, sadece küçük miktarda enzimle işlem otomatikleştirilir ve yüksek bir sıcaklıkta çalışır. Birkaç saat içinde, Taq bazlı PCR, tek bir DNA molekülünü 100 milyar kopyaya dönüştürebilir ve böylece bir suç mahallinden ufak bir vücut sıvısı örneğiyle, bir DNA parmak izi oluşturmak için yeterli genetik materyal elde edilebilir.

Taq PCR, moleküler biyoloji ve adli tıpta devrim yaratmasına rağmen, bu termofil enzimler sadece genetik laboratuvarlarında kullanışlı değildir. Ayrıca yiyecek ve içecek üretiminden, kumaş üretimine kadar gittikçe artan sayıda endüstride kullanılmaktadırlar. Örneğin, meşrubat tatlandırmak için kullanılan yüksek fruktozlu mısır şurubu, mısır nişastasının bir yapışkan çözeltisini kaynama noktasına kadar ısıtmak ve art arda ısıya dayanıklı termofil enzimleriyle sindirmek suretiyle yapılır. Çözeltiyi sıcak tutmak, reaksiyonu hızlandırmanın ötesinde çeşitli faydalara sahiptir: sıvının daha az viskoz olmasını sağlar ve bu nedenle çalışılması daha kolaydır ve bozulmaya neden olan mikroorganizmaları uzak tutar.

Biyoyakıtlar için destek

Şekerli içeceklerin daha verimli bir şekilde üretilmesi toplum için ileriye atılmış büyük bir adım gibi görünmeyebilir, ancak gezegen için büyük fayda sağlayabilecek başka termofil uygulamaları da vardır. Belki de en önemlisi, termofillerin biyoyakıt üretimi için kullanım potansiyelidir (Scully & Orlygsson, 2014).

Fosil yakıtların yanı sıra, bitkilerin hücre duvarlarını desteklemek için yaptıkları sert, lifli karbohidrat olan selüloz dünyada en bol bulunan organik maddedir. Selüloz çevremizde her yerde bulunur: talaştan ekinlere kadar, tahta, pamuk, kağıt ve her tür bitki atığındaki kütlenin çoğunu oluşturur. Selülozu etkin bir şekilde biyo-yakıta dönüştürme prosedürü tasarlanabilirse, bu durum fosil yakıtlarına karbon-nötr bir alternatif sağlayacaktır.

Bazı termofiller, birbirlerine bağlı birkaç şeker molekülünden oluşan, şekerler veya oligosakaritler adı verilen biraz daha büyük karbohidrat molekülleri üretmek için selülozu parçalayabilir. Maya hali hazırda şekerden alkol üretmek için yaygın olarak kullanılmasına rağmen, termofiller daha fazla çeşit şekeri mayalayabilir. Örneğin, Thermoanaerobacter etanolicus bakteri, ksiloz, galaktoz ve mannoz gibi selülozu oluşturan şekerlerin çoğunu sindirip bir ürün olarak alkol (etanol) üretebilir.

Clostridium thermocellum ve Caldicellulosiruptor saccharolyticus bakterileri, selülozu doğrudan parçalayıp ortya çıkan glukozu fermente ederek her iki basamağı da gerçekleştirebilir ve hidrojen, asetik asit ve etanol içeren ürünlerin bir karışımını yapabilir.

Bu türler, biyoyakıtlarla ilgili devam etmekte olan araştırmaların odak noktasıdır, ancak üstesinden gelinmesi gereken engeller vardır. Bir zorluk, genetik modifikasyon gerektirebilecek bir adım olan kendileri zehirlenmeden yüksek etanol seviyelerini tolere edebilen termofilleri bulmaktır. Alternatif olarak, etanol bir kültürden sürekli olarak uzaklaştırılabilir ve toksik seviyelere ulaşması önlenebilir.

Gelecekle ilgili görüşler

Termofilik organizmaların teknolojik ve ticari potansiyelleri muazzamdır. 1991’de, Taq enziminden PCR geliştiren ABD biyoteknoloji şirketi patentini 300 milyon dolara sattı, ancak gelirlerin hiçbiri, enzimin orijinal kaynağı olan Yellowstone Milli Parkı’na geri dönemedi. Bugün, sıkı yönergeler bu “biyomadencilerin” bölgeden ne alabileceğini belirliyor ve bu genetik kaynaktan elde edilen gelecekteki karların paylaşılmasını sağlıyor. Bu tür önlemler, bu eşsiz ve güzel ekosistemlerin gelecekte biyoteknolojideki kullanımları bulmak için hayatta kalmalarını sağlamaya ve gelecek nesil bilim insanlarına ilham vermeye yardımcı olabilir.


References

Resources

Author(s)

Sean Michael Scully, Kuzey İzlanda’daki Akureyri Üniversitesi’nde öğretim görevlisidir. Kariyerine ABD’de başladıktan ve kimya endüstrisinde çalışarak biraz zaman geçirdikten sonra İzlanda’ya göç etti. Mikrobiyolojinin yanı sıra organik kimya alanında da bir geçmişi var. Araştırmaları, ekstremofilik bakterilerin ve enzimlerinin biyoteknolojik uygulamalarına odaklanmaktadır.


Review

Bu makale okuyucuları, termofiller adı verilen mikroskobik canlı organizmalar ve şaşırtıcı teknolojik potansiyelleri hakkında daha fazla bilgi edinmeye teşvik etmektedir. Termofiller, enzim aktiviteleri bakımından kurala uymazlar; bu nedenle bu makale, enzim fonksiyonu, hücre metabolizması ve mikrobiyoloji ve uygulamaları gibi konular için bir merak uyandırıcı olarak kullanılabilir.

Makale, aşağıdaki gibi soruları içeren bir kavrama egzersizi için de kullanılabilir:

  • Bir hücrenin fiziksel ortamı enzim aktivitesini nasıl etkiler?
  • Gezegenimizi sera etkisinden korumak için termofilik bakterilerileri nasıl kullanabiliriz?

Aynı zamanda, doğanın güzelliğini anlamak için alışılmadık bir teşvik olarak renkli termofillerin fotoğraflarıyla sanat dersinin temeli de oluşturabilir.

Alina Giantsiou-Kyriakou, biyoloji öğretmeni, Livadia Lisesi, Larnaka, Kıbrıs

License

CC-BY