Alkaliphile - Alkaliphile
Alkaliphiles são uma classe de extremofílicos micróbios capazes de sobreviver em alcalina ( pH aproximadamente 8.5-11) ambientes, crescendo de forma otimizada em torno de um pH de 10. Estas bactérias podem ainda ser classificados como alkaliphiles obrigatórios (aqueles que necessitam de pH elevado para sobreviver), alkaliphiles facultativos (aqueles capazes de sobreviver em pH alto, mas também crescem em condições normais) e haloalcalifílicos (aqueles que requerem alto teor de sal para sobreviver).
Informação de fundo
O crescimento microbiano em condições alcalinas apresenta várias complicações para a atividade bioquímica normal e reprodução, uma vez que o pH alto é prejudicial aos processos celulares normais. Por exemplo, a alcalinidade pode levar à desnaturação do DNA, instabilidade da membrana plasmática e inativação de enzimas citosólicas , bem como outras alterações fisiológicas desfavoráveis. Assim, para contornar adequadamente esses obstáculos, os alcalifilos devem possuir maquinário celular específico que funcione melhor na faixa alcalina, ou devem ter métodos de acidificação do citosol em relação ao ambiente extracelular. Para determinar qual das possibilidades acima um alcalifila usa, a experimentação demonstrou que as enzimas alcalifílicas possuem pH ótimo relativamente normal. A determinação de que essas enzimas funcionam de forma mais eficiente perto de faixas de pH fisiologicamente neutras (cerca de 7,5-8,5) foi uma das etapas principais na elucidação de como os alcalifilos sobrevivem a ambientes intensamente básicos. Uma vez que o pH citosólico deve permanecer quase neutro, os alcalifílicos devem ter um ou mais mecanismos de acidificação do citosol quando na presença de um ambiente altamente alcalino.
Mecanismos de acidificação citosólica
Os alcalifílicos mantêm a acidificação citosólica por meios passivos e ativos. Na acidificação passiva, foi proposto que as paredes celulares contêm polímeros ácidos compostos por resíduos como ácido galacturônico, ácido glucônico, ácido glutâmico, ácido aspártico e ácido fosfórico. Juntos, esses resíduos formam uma matriz ácida que ajuda a proteger a membrana plasmática de condições alcalinas, evitando a entrada de íons hidróxido e permitindo a absorção de íons sódio e hidrônio . Além disso, observou-se que o peptidoglicano em B. subtilis alcalifílico contém níveis mais elevados de hexosaminas e aminoácidos em comparação com sua contraparte neutrofílica . Quando os alcalifilos perdem esses resíduos ácidos na forma de mutações induzidas, foi demonstrado que sua capacidade de crescer em condições alcalinas é severamente prejudicada. No entanto, é geralmente aceito que os métodos passivos de acidificação citosólica não são suficientes para manter um pH interno de 2-2,3 níveis abaixo do pH externo; também deve haver formas ativas de acidificação. O método de acidificação ativa mais caracterizado é na forma de antiportantes Na + / H + . Neste modelo, os íons H + são primeiro extrudados através da cadeia de transporte de elétrons nas células respiratórias e, até certo ponto, através de uma ATPase nas células fermentativas. Essa extrusão de prótons estabelece um gradiente de prótons que impulsiona os antipórteres eletrogênicos - que conduzem o Na + intracelular para fora da célula em troca de um número maior de íons H +, levando ao acúmulo líquido de prótons internos. Este acúmulo de prótons leva a uma redução do pH citosólico. O Na + extrudado pode ser usado para simetria de soluto, que é necessária para processos celulares. Observou-se que o antiporto Na + / H + é necessário para o crescimento alcalifílico, enquanto os antipórteres K + / H + ou Na + / H + podem ser utilizados por bactérias neutrofílicas. Se os antipórteres Na + / H + forem desativados por mutação ou outro meio, as bactérias se tornam neutrofílicas. O sódio necessário para este sistema antiport é o motivo pelo qual alguns alcalifílicos só podem crescer em ambientes salinos.
Diferenças na produção de ATP alcalifílico
Além do método de extrusão de prótons discutido acima, acredita-se que o método geral de respiração celular é diferente nos alcalifilos obrigatórios em comparação com os neutrófilos. Geralmente, a produção de ATP opera estabelecendo um gradiente de prótons (maior concentração de H + fora da membrana) e um potencial elétrico transmembrana (com uma carga positiva fora da membrana). No entanto, como os alcalifilos têm um gradiente de pH invertido, parece que a produção de ATP - que se baseia em uma forte força motriz de prótons - seria severamente reduzida. No entanto, o oposto é verdadeiro. Foi proposto que, embora o gradiente de pH tenha sido revertido, o potencial elétrico transmembrana é muito aumentado. Este aumento na carga causa a produção de maiores quantidades de ATP por cada próton translocado quando conduzido por uma ATPase. Pesquisas nesta área estão em andamento.
Aplicações e pesquisas futuras
Alcalifilos prometem vários usos interessantes para biotecnologia e pesquisas futuras. Os métodos alcalifílicos de regulação do pH e produção de ATP são de interesse da comunidade científica. No entanto, talvez a maior área de interesse dos alcalifilos esteja em suas enzimas : proteases alcalinas ; enzimas de degradação do amido; celulases ; lipases ; xilanases; pectinases; quitinases e seus metabólitos , incluindo: 2-fenilamina; carotenóides ; sideróforos ; derivados do ácido cólico e ácidos orgânicos . Espera-se que novas pesquisas com enzimas alcalifílicas permitam aos cientistas coletar enzimas alcalifílicas para uso em condições básicas. A pesquisa com o objetivo de descobrir antibióticos produzidos com alcalifilos mostrou algum sucesso, mas foi mantida à distância pelo fato de que alguns produtos produzidos em pH alto são instáveis e inutilizáveis em uma faixa de pH fisiológica.
Exemplos
Exemplos de alcalifilos incluem Halorhodospira halochloris , Natronomonas pharaonis e Thiohalospira alkaliphila .