Extremófilo - Extremophile

As cores vivas de Grand Prismatic Spring , Parque Nacional de Yellowstone , são produzidas por Thermophiles , um tipo de extremófilo.

Um extremófilo (do latim extremus que significa "extremo" e do grego philiā ( φιλία ) que significa "amor") é um organismo que é capaz de viver (ou, em alguns casos, prosperar ) em ambientes extremos , ou seja, ambientes que tornam a sobrevivência desafiadora, como devido a temperatura , radiação , salinidade ou nível de pH extremos .

Esses organismos são ecologicamente dominantes na história evolutiva do planeta. Remontando a mais de 40 milhões de anos atrás, os extremófilos continuaram a prosperar nas condições mais extremas, tornando-os uma das formas de vida mais abundantes.

Características

Diversidade de ambientes extremos na Terra

Nas décadas de 1980 e 1990, os biólogos descobriram que a vida microbiana tem grande flexibilidade para sobreviver em ambientes extremos - nichos ácidos, extraordinariamente quentes ou sob pressão de ar irregular, por exemplo - que seriam completamente inóspitos para organismos complexos . Alguns cientistas chegaram a concluir que a vida pode ter começado na Terra em fontes hidrotermais bem abaixo da superfície do oceano.

De acordo com o astrofísico Steinn Sigurdsson, "Existem esporos bacterianos viáveis que foram encontrados com 40 milhões de anos na Terra - e sabemos que eles são muito resistentes à radiação ." Algumas bactérias foram encontradas vivendo no frio e na escuridão em um lago enterrado a oitocentos metros de profundidade sob o gelo na Antártica e na Fossa das Marianas , o lugar mais profundo dos oceanos da Terra. As expedições do Programa de Descoberta do Oceano Internacional encontraram microorganismos em sedimentos a 120 ° C que estão 1,2 km abaixo do fundo do mar na zona de subducção Nankai Trough . Alguns microrganismos foram encontrados prosperando dentro de rochas até 1.900 pés (580 m) abaixo do fundo do mar, sob 8.500 pés (2.600 m) de oceano na costa noroeste dos Estados Unidos. De acordo com um dos pesquisadores, "Você pode encontrar micróbios em todos os lugares - eles são extremamente adaptáveis ​​às condições e sobrevivem onde quer que estejam." Uma chave para a adaptação dos extremófilos é sua composição de aminoácidos , afetando sua capacidade de dobramento de proteínas sob condições particulares. O estudo de ambientes extremos na Terra pode ajudar os pesquisadores a compreender os limites de habitabilidade em outros mundos.

Tom Gheysens, da Universidade de Ghent, na Bélgica, e alguns de seus colegas apresentaram resultados de pesquisas que mostram que os esporos de uma espécie de bactéria Bacillus sobreviveram e ainda eram viáveis ​​após serem aquecidos a temperaturas de 420 ° C (788 ° F).

Os limites da vida conhecida na Terra.
Fator Ambiente / fonte Limites Exemplos
Temperatura alta Fontes hidrotermais submarinas , crosta oceânica 110 ° C a 121 ° C Pyrolobus fumarii , Pyrococcus furiosus
Temperatura baixa Gelo -20 ° C a -25 ° C Synechococcus lividus
Sistemas alcalinos Lagos de soda pH > 11 Psychrobacter , Vibrio , Arthrobacter , Natronobacterium
Sistemas ácidos Fontes vulcânicas, drenagem ácida de minas pH -0,06 a 1,0 Bacillus , Clostridium paradoxum
Radiação ionizante Raios cósmicos , raios X , decadência radioativa 1.500 a 6.000 Gy Deinococcus radiodurans , Rubrobacter , Thermococcus gammatolerans
radiação Uv Luz solar 5.000 J / m 2 Deinococcus radiodurans , Rubrobacter , Thermococcus gammatolerans
Alta pressão Fossa das Marianas 1.100 bar Pyrococcus sp.
Salinidade Alta concentração de sal a w ~ 0,6 Halobacteriaceae , Dunaliella salina
Dessecação Deserto de Atacama (Chile), Vales Secos de McMurdo (Antártica) ~ 60% de umidade relativa Chroococcidiopsis
Crosta profunda acessado em algumas minas de ouro Halicephalobus mephisto , Mylonchulus brachyurus , artrópodes não identificados

Classificações

Existem muitas classes de extremófilos em todo o mundo; cada uma correspondendo à maneira como seu nicho ambiental difere das condições mesofílicas. Essas classificações não são exclusivas. Muitos extremófilos se enquadram em várias categorias e são classificados como poliextremófilos . Por exemplo, organismos que vivem dentro de rochas quentes nas profundezas da superfície da Terra são termofílicos e piezofílicos, como Thermococcus barophilus . Um poliextremófilo que vive no cume de uma montanha no deserto de Atacama pode ser um xerófilo radiorresistente , um psicrófilo e um oligotrófico . Poliextremófilos são bem conhecidos por sua capacidade de tolerar níveis de pH altos e baixos .

Termos

Imagem microscópica do hipersalina Lake Tyrrell (salinidade> 20% w / v), em que o eucariótica clorofíceae , Dunaliella salina , pode ser identificado por tentativas. Dunaliella salina é cultivada comercialmente para o carotenóide, β-caroteno , que é amplamente utilizado como um corante alimentar natural, bem como um precursor da vitamina A. Ao lado está o haloarchaeon, Haloquadratum walsbyi , que tem células planas em forma de quadrado com vesículas de gás que permitir a flutuação até a superfície, provavelmente para adquirir oxigênio.
Acidófilo
Um organismo com crescimento ideal em níveis de pH de 3,0 ou abaixo.
Alcalifilo
Um organismo com crescimento ideal em níveis de pH de 9,0 ou acima.
Anaeróbio
Um organismo com crescimento ideal na ausência de oxigênio molecular . Existem dois subtipos: anaeróbio facultativo e anaeróbio obrigatório . Um anaeróbio facultativo pode tolerar condições anóxicas e óxicas, enquanto um anaeróbio obrigatório morrerá na presença de níveis ainda baixos de oxigênio molecular:

Capnófilo

Um organismo com ótimas condições de crescimento em altas concentrações de dióxido de carbono. Um exemplo seria Mannheimia succiniciproducens , uma bactéria que habita o sistema digestivo de um animal ruminante.

Criptoendolito
Um organismo que vive em espaços microscópicos dentro das rochas, como poros entre grãos agregados. Eles também podem ser chamados de endólitos , um termo que também inclui organismos que povoam fissuras, aquíferos e falhas preenchidas com água subterrânea em subsuperfície profunda.
Halófilo
Um organismo com crescimento ideal a uma concentração de sais dissolvidos de 50 g / L (= 5% m / v) ou superior.
Hiperpiezófilo
Um organismo com crescimento ideal em pressões hidrostáticas acima de 50 MPa (= 493 atm = 7.252 psi).
Hipertermófilo
Um organismo com crescimento ideal em temperaturas acima de 80 ° C (176 ° F).
Hypolith
Um organismo que vive sob as rochas em desertos frios .
Metalotolerante
Capaz de tolerar altos níveis de metais pesados ​​dissolvidos em solução, como cobre , cádmio , arsênio e zinco . Os exemplos incluem Ferroplasma sp., Cupriavidus metallidurans e GFAJ-1 .
Oligotrófico
Um organismo com crescimento ideal em ambientes nutricionalmente limitados.
Osmófilo
Um organismo com ótimo crescimento em ambientes com alta concentração de açúcar.
Piezófilo
Um organismo com crescimento ideal em pressões hidrostáticas acima de 10 MPa (= 99 atm = 1.450 psi). Também conhecido como barófilo .
Poliextremófilo
Um poliextremófilo (falso latim / grego antigo para "afeição por muitos extremos") é um organismo que se qualifica como extremófilo em mais de uma categoria.
Psychrophile / cryophile
Um organismo com crescimento ideal em temperaturas de 15 ° C (59 ° F) ou menos.
Radiorresistente
Organismos resistentes a altos níveis de radiação ionizante , mais comumente radiação ultravioleta. Esta categoria também inclui organismos capazes de resistir à radiação nuclear .:

Sulfófilo

Um organismo com ótimas condições de crescimento em altas concentrações de enxofre. Um exemplo seria Sulfurovum Epsilonproteobacteria , uma bactéria oxidante de enxofre que habita aberturas de enxofre em águas profundas.

Termófilo
Um organismo com crescimento ideal em temperaturas acima de 45 ° C (113 ° F).
Xerófilo
Um organismo com crescimento ótimo em atividade de água abaixo de 0,8.

Em astrobiologia

Astrobiologia é o estudo da origem , evolução , distribuição e futuro da vida no universo : vida extraterrestre e vida na Terra . Astrobiologia faz uso de física , química , astronomia , física solar , biologia , biologia molecular , ecologia , ciência planetária , geografia e geologia para investigar a possibilidade de vida em outros mundos e ajudar a reconhecer biosferas que pode ser diferente daquela na Terra. Astrobiólogos estão particularmente interessados ​​em estudar extremófilos, pois isso permite mapear o que é conhecido sobre os limites da vida na Terra para ambientes extraterrestres em potencial. Por exemplo, desertos análogos da Antártica estão expostos a radiação UV prejudicial , baixa temperatura, alta concentração de sal e concentração de minerais. Essas condições são semelhantes às de Marte . Portanto, encontrar micróbios viáveis ​​na subsuperfície da Antártica sugere que pode haver micróbios sobrevivendo em comunidades endolíticas e vivendo sob a superfície marciana. A pesquisa indica que é improvável que micróbios marcianos existam na superfície ou em profundidades rasas, mas podem ser encontrados em profundidades subterrâneas de cerca de 100 metros.

Pesquisas recentes realizadas com extremófilos no Japão envolveram uma variedade de bactérias, incluindo Escherichia coli e Paracoccus denitrificans, sujeitas a condições de extrema gravidade. As bactérias foram cultivadas enquanto eram giradas em uma ultracentrífuga em altas velocidades correspondentes a 403.627 g (ou seja, 403.627 vezes a gravidade experimentada na Terra). Paracoccus denitrificans foi uma das bactérias que apresentou não apenas sobrevivência, mas também crescimento celular robusto nessas condições de hiperaceleração, que geralmente são encontradas apenas em ambientes cósmicos, como em estrelas muito massivas ou nas ondas de choque de supernovas . A análise mostrou que o pequeno tamanho das células procarióticas é essencial para o crescimento bem-sucedido sob hipergravidade . A pesquisa tem implicações na viabilidade da panspermia .

Em 26 de abril de 2012, os cientistas relataram que o líquen sobreviveu e mostrou resultados notáveis ​​na capacidade de adaptação da atividade fotossintética dentro do tempo de simulação de 34 dias sob condições marcianas no Laboratório de Simulação de Marte (MSL) mantido pelo Centro Aeroespacial Alemão (DLR).

Em 29 de abril de 2013, cientistas do Rensselaer Polytechnic Institute , financiado pela NASA , relataram que, durante o voo espacial na Estação Espacial Internacional , os micróbios parecem se adaptar ao ambiente espacial de maneiras "não observadas na Terra" e de maneiras que "podem levar a aumenta o crescimento e a virulência ".

Em 19 de maio de 2014, os cientistas anunciaram que vários micróbios , como o Tersicoccus phoenicis , podem ser resistentes aos métodos geralmente usados ​​em salas limpas de montagem de espaçonaves . Não se sabe atualmente se esses micróbios resistentes poderiam ter resistido a viagens espaciais e estão presentes no rover Curiosity agora no planeta Marte.

Em 20 de agosto de 2014, cientistas confirmaram a existência de microrganismos que vivem meia milha abaixo do gelo da Antártica .

Em setembro de 2015, cientistas do CNR-National Research Council of Italy relataram que S.soflataricus foi capaz de sobreviver sob radiação marciana em um comprimento de onda que foi considerado extremamente letal para a maioria das bactérias. Esta descoberta é significativa porque indica que não apenas os esporos bacterianos, mas também as células em crescimento podem ser notavelmente resistentes à forte radiação ultravioleta.

Em junho de 2016, cientistas da Brigham Young University relataram conclusivamente que os endosporos de Bacillus subtilis foram capazes de sobreviver a impactos de alta velocidade de até 299 ± 28 m / s, choque extremo e desaceleração extrema. Eles apontaram que esse recurso pode permitir que os endosporos sobrevivam e sejam transferidos entre planetas viajando dentro de meteoritos ou experimentando perturbações na atmosfera. Além disso, eles sugeriram que o pouso da espaçonave também pode resultar na transferência de esporos interplanetários, uma vez que os esporos podem sobreviver ao impacto de alta velocidade enquanto são ejetados da espaçonave para a superfície do planeta. Este é o primeiro estudo que relatou que as bactérias podem sobreviver em impactos de alta velocidade. No entanto, a velocidade de impacto letal é desconhecida e novos experimentos devem ser feitos introduzindo o impacto de alta velocidade nos endosporos bacterianos.

Em agosto de 2020, os cientistas relataram que as bactérias que se alimentam do ar descobertas em 2017 na Antártica provavelmente não estão limitadas à Antártica depois de descobrir os dois genes anteriormente ligados à sua "quimiossíntese atmosférica" ​​no solo de dois outros locais frios desérticos semelhantes, o que fornece mais informações sobre este sumidouro de carbono e fortalece ainda mais a evidência extremófila que apóia a existência potencial de vida microbiana em planetas alienígenas.

No mesmo mês, cientistas relataram que bactérias da Terra, principalmente Deinococcus radiodurans , sobreviveram por três anos no espaço sideral , com base em estudos da Estação Espacial Internacional . Esses achados apóiam a noção de panspermia .

No entanto, também foi demonstrado que a evolução impôs algumas restrições aos extremófilos como análogos à vida em outras partes do sistema solar e além.

Biorremediação

Extremófilos também podem ser atores úteis na biorremediação de locais contaminados, já que algumas espécies são capazes de biodegradação sob condições extremas demais para as espécies candidatas à biorremediação clássica. A atividade antropogênica causa a liberação de poluentes que podem potencialmente se estabelecer em ambientes extremos, como é o caso de rejeitos e sedimentos liberados da atividade de mineração em alto mar. Enquanto a maioria das bactérias seria esmagada pela pressão nesses ambientes, os piezófilos podem tolerar essas profundidades e podem metabolizar poluentes preocupantes se eles possuírem potencial de biorremediação.

Hidrocarbonetos

Existem vários destinos potenciais para hidrocarbonetos depois que um derramamento de óleo se acomoda e as correntes os depositam rotineiramente em ambientes extremos. Bolhas de metano resultantes do derramamento de óleo da Deepwater Horizon foram encontradas 1,1 quilômetros abaixo do nível da superfície da água e em concentrações de até 183 μ mol por quilograma. A combinação de baixas temperaturas e altas pressões neste ambiente resulta em baixa atividade microbiana. No entanto, bactérias que estão presentes, incluindo espécies de Pseudomonas , Aeromonas e Vibrio, foram consideradas capazes de biorremediação, embora a um décimo da velocidade que teriam na pressão ao nível do mar. Os hidrocarbonetos policíclicos aromáticos aumentam em solubilidade e biodisponibilidade com o aumento da temperatura. As espécies Thermus e Bacillus termofílicas demonstraram maior expressão gênica para o alcano monooxigenase alkB em temperaturas superiores a 60 ° C. A expressão desse gene é um precursor crucial para o processo de biorremediação. Os fungos que foram geneticamente modificados com enzimas adaptadas ao frio para tolerar diferentes níveis de pH e temperaturas mostraram-se eficazes na remediação da contaminação por hidrocarbonetos em condições de congelamento na Antártica.

Metais

O Acidithiubacillus ferroxidans demonstrou ser eficaz na remediação do mercúrio em solos ácidos devido ao seugene merA tornando-o resistente ao mercúrio. Os efluentes industriais contêm altos níveis de metais que podem ser prejudiciais à saúde humana e do ecossistema. Em ambientes de calor extremo, o extremophile Geobacillus thermodenitrificans demonstrou gerenciar com eficácia a concentração desses metais dentro de doze horas após a introdução. Alguns microrganismos acidofílicos são eficazes na remediação de metais em ambientes ácidos devido às proteínas encontradas em seu periplasma, não presentes em nenhum organismo mesofílico, permitindo que eles se protejam de altas concentrações de prótons. Os arrozais são ambientes altamente oxidativos que podem produzir altos níveis de chumbo ou cádmio. Deinococcus radiodurans são resistentes às duras condições do meio ambiente e, portanto, são espécies candidatas a limitar a extensão da contaminação desses metais.

Drenagem ácida de mina

A drenagem ácida de minas é uma grande preocupação ambiental associada a muitas minas de metal. Um dos métodos mais produtivos de sua remediação é por meio da introdução do organismo extremófilo Thiobacillus ferrooxidans .

Materiais radioativos

Qualquer bactéria capaz de habitar meios radioativos pode ser classificada como extremófila. Organismos radiorresistentes são, portanto, críticos na biorremediação de radionuclídeos. O urânio é particularmente difícil de conter quando liberado em um ambiente e muito prejudicial à saúde humana e do ecossistema. O projeto NANOBINDERS está equipando bactérias que podem sobreviver em ambientes ricos em urânio com sequências de genes que permitem que as proteínas se liguem ao urânio em efluentes de mineração, tornando-a mais conveniente para coletar e descartar.

A radiorresistência também foi observada em certas espécies de formas de vida macroscópicas. A dose letal necessária para matar até 50% da população de tartarugas é de 40.000 roentgens , em comparação com apenas 800 roentgens necessários para matar 50% da população humana. Em experimentos que expuseram insetos lepidópteros à radiação gama , danos significativos ao DNA foram detectados apenas com 20 Gy e doses mais altas, em contraste com células humanas que mostraram danos semelhantes com apenas 2 Gy.

Exemplos e descobertas recentes

Novos subtipos de -filos são identificados frequentemente e a lista de subcategorias para extremófilos está sempre crescendo. Por exemplo, a vida microbiana vive no lago de asfalto líquido , Pitch Lake . A pesquisa indica que extremófilos habitam o lago de asfalto em populações que variam entre 10 6 a 10 7 células / grama. Da mesma forma, até recentemente a tolerância ao boro era desconhecida, mas um forte borófilo foi descoberto nas bactérias. Com o recente isolamento do Bacillus boroniphilus , os borófilos entraram em discussão. O estudo desses borófilos pode ajudar a esclarecer os mecanismos de toxicidade e deficiência de boro.

Em julho de 2019, um estudo científico da mina Kidd, no Canadá, descobriu organismos respiradores de enxofre que vivem 2.200 metros abaixo da superfície e que respiram enxofre para sobreviver. Esses organismos também são notáveis ​​por comerem rochas como a pirita como fonte regular de alimento.

Biotecnologia

A catalase termoalcalifílica , que inicia a quebra do peróxido de hidrogênio em oxigênio e água, foi isolada de um organismo, Thermus brockianus , encontrado no Parque Nacional de Yellowstone por pesquisadores do Laboratório Nacional de Idaho . A catalase opera em uma faixa de temperatura de 30 ° C a mais de 94 ° C e em uma faixa de pH de 6–10. Esta catalase é extremamente estável em comparação com outras catalases em altas temperaturas e pH. Em um estudo comparativo, a catalase de T. brockianus exibiu meia-vida de 15 dias a 80 ° C e pH 10, enquanto uma catalase derivada de Aspergillus niger teve meia-vida de 15 segundos nas mesmas condições. A catalase terá aplicações para remoção de peróxido de hidrogênio em processos industriais como branqueamento de papel e celulose, branqueamento de tecidos, pasteurização de alimentos e descontaminação de superfícies de embalagens de alimentos.

As enzimas modificadoras de DNA, como a Taq DNA polimerase e algumas enzimas Bacillus usadas em diagnósticos clínicos e liquefação de amido, são produzidas comercialmente por várias empresas de biotecnologia.

Transferência de DNA

Mais de 65 espécies procarióticas são conhecidas por serem naturalmente competentes para a transformação genética, a capacidade de transferir DNA de uma célula para outra célula seguida pela integração do DNA do doador no cromossomo da célula receptora. Vários extremófilos são capazes de realizar a transferência de DNA espécie-específica, conforme descrito abaixo. No entanto, ainda não está claro o quão comum essa capacidade é entre os extremófilos.

A bactéria Deinococcus radiodurans é um dos organismos mais radiorresistentes conhecidos. Essa bactéria também pode sobreviver ao frio, à desidratação, ao vácuo e ao ácido e, portanto, é conhecida como poliextremófila. D. radiodurans é competente para realizar a transformação genética . As células receptoras são capazes de reparar danos ao DNA no DNA de transformação do doador que foi irradiado por UV com a mesma eficiência com que reparam o DNA celular quando as próprias células são irradiadas. A bactéria termofílica extrema Thermus thermophilus e outras espécies Thermus relacionadas também são capazes de transformação genética.

Halobacterium volcanii , umarchaeonextremamente halofílico (tolerante a solução salina ), é capaz de uma transformação genética natural. Pontes citoplasmáticas são formadas entre células que parecem ser usadas para transferência de DNA de uma célula para outra em qualquer direção.

Sulfolobus solfataricus e Sulfolobus acidocaldarius são arqueas hipertermofílicas. A exposição desses organismos aos agentes que danificam o DNA. A irradiação UV, bleomicina ou mitomicina C induz a agregação celular espécie-específica. A agregação celular induzida por UV de S. acidocaldarius medeia a troca de marcadores cromossômicos com alta frequência. As taxas de recombinação excedem as de culturas não induzidas em até três ordens de magnitude. Frols et al. e Ajon et al. levantaram a hipótese de que a agregação celular aumenta a transferência de DNA espécie-específica entre ascélulas Sulfolobus , a fim de reparar o DNA danificado por meio de recombinação homóloga. Van Wolferen et al. observaram que este processo de troca de DNA pode ser crucial em condições prejudiciais ao DNA, como altas temperaturas. Também foi sugerido que a transferência de DNA em Sulfolobus pode ser uma forma inicial de interação sexual semelhante aos sistemas de transformação bacteriana mais bem estudados que envolvem a transferência de DNA espécie-específica levando ao reparo de recombinação homóloga de danos no DNA (e ver Transformação (genética) )

Vesículas de membrana extracelular (MVs) podem estar envolvidas na transferência de DNA entre diferentes espécies de archaea hipertermofílicas. Foi demonstrado que tanto os plasmídeos quanto os genomas virais podem ser transferidos via MVs. Notavelmente, uma transferência horizontal de plasmídeo foi documentada entre as espécies hipertermofílicas Thermococcus e Methanocaldococcus , respectivamente pertencentes às ordens Thermococcales e Methanococcales .

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos