dijous, 10 de març del 2016

Estratègies d'adaptació dels procariotes a les temperatures extremes

INTRODUCCIÓ

Com bé es coneix, no tots els microorganismes viuen en el mateix ambient. Els hàbitats en els quals viuen la majoria d'ells, tenen unes condicions ambientals determinades (temperatura entre 20ºC - 40ºC; ph entre 4 i 8; salinitat inferior a 2M; pressió per sota d'una atm; entre altres).

Per altra banda, existeixen els microorganismes extremòfils, els quals han presenten diverses adaptacions vers els altres microorganismes per tal de sobreviure en ambients extrems, els quals no compleixen les condicions esmentades anteriorment. 

L'aparició d'aquest tipus d'organismes es va produir fa mil milions d'anys, quan les condicions normals del planeta eren les que actualment considerem extremes. Durant els canvis que ha patit la Terra, els hàbitats dels extremòfils s'han vist reduïts. El fet de que aquests organismes no hagin canviat el seu ambient, provoca que la seva evolució hagi estat mínima, ja que no han patit la necessitat d'adaptar-se a un nou ambient.

L'existència d'aquests microorganismes ens ha permès obtenir-ne beneficis en diversos àmbits gràcies a les estructures i molècules adaptades que presenten. Uns exemples de les aplicacions seria la utilització pel processament tèxtil, l'elaboració d'aliments, la fabricació de detergents, la utilització en biologia molecular (com per exemple, per la tècnica de la Polymerase chain reaction), entre altres.1 Recentment, el camp de l'astrobiologia està duen a terme una recerca de vida extraterrestre gràcies a aquests microorganismes, ja que els extremòfils habiten en ambients amb unes condicions similars a les condicions ambientals d'altres planetes (vídeo).


Imatge 1. Diversos ambients extrems (en absència de llum; alta
 temperatura; baixa temperatura i ambient àrid)


TIPUS DE MICROORGANISMES

Classificació dels microorganismes

Els microorganismes es classifiquen segons la seva temperatura òptima de creixement, és a dir, segons la temperatura en la qual el seu creixement és màxim. Podem diferenciar entre:
  • Hipertermòfils: Viuen en temperatures entre 65ºC i 105ºC. Tenen una temperatura òptima de creixement per sobre dels 80ºC.1
  • Termòfils: La seva temperatura òptima es troba entre 55ºC i 65ºC. Poden viure en ambients des de 40ºC fins a 80ªC.2
  • Mesòfils: Tenen una temperatura òptima al voltant dels 37ºC. El rang de temperatura en el qual habiten va des dels 15ºC fins als 45ºC.1 En aquest grup hi diferenciem els psicrotolerants, els quals són organismes que poden viure en temperatures entre 0ºC i 35ºC; amb una Tª òptima entre 20ºC i 30ºC.2
  • Psicròfils: La seva temperatura òptima és de 15ºC o inferior. Alguns poden viure a temperatures de -10ºC, però no poden viure a temperatures superiors de 20ºC.2
Imatge 2. Temperatures en les quals viuen els microorganismes descrits anteriorment.
Imatge extreta del Brock
3



Com es pot observar en la classificació realitzada anteriorment, els microorganismes que presenten adaptacions per a temperatures considerades extremes són els hipertermòfils i els termòfils, els quals presenten unes adaptacions molt similars; i els psicròfils.




TIPUS D'ESTRATÈGIES
  • TERMÒFILS I HIPERTERMÒFILS
La majoria de microorganismes hipertermòfils pertanyen al grup Archaea, mentre que la gran part dels microorganismes termòfils pertanyen al grup Bacteria. Tots ells tenen unes adaptacions ideals per viure en temperatures superiors a 45ºC. Aquestes adaptacions estructurals i moleculars impedeixen la desnaturalització de les molècules i estructures a causa de les elevades temperatures, degut a que són termolàbils.


Imatge 3. Parc Nacional de Yellowstone. Els guèisers presenten temperatures
de 92ºC aproximadament. En aquest ambient, es va descobrir per primera
vegada l'hipertermòfil Thermus aquaticus.

Imatge 4. Thermus aquaticus




Aquests microorganismes contenen enzims i proteïnes amb una sèrie d'aminoàcids que difereixen dels que es troben en els mesòfils (taula 1), els quals provoquen un plegament específic que els confereix termostabilitat, la qual també depèn de l'augment d'enllaços iònics entre les càrregues dels aminoàcids i de l'empaquetament hidròfob a l'interior de la proteïna. A més, sintetitzen unes molècules específiques que proporcionen estabilitat a les proteïnes, eludint-ne la seva degradació.3 Finalment, formen un major nombre de ponts d'hidrogen, els quals mantenen unides les regions proteiques.4,5



Imatge 5. Exemples de la modificació que pateixen alguns
aminoàcids en els termòfils i hipertermòfils


Referent al DNA, els hipertermòfils i termòfils estabilitzen la molècula de DNA gràcies al fet que contenen unes quantitats significatives de 2,3 - difosfoglicerat potàssic cíclic, el qual evita la respectiva depurinització. A més, la molècula de DNA es troba en un nivell de superenrotllament superior que la dels microorganismes mesòfils, la qual cosa comporta un augment del seu punt de fusió i, per tant, més resistència davant la desnaturalització tèrmica.3 Un segon factor que provoca un elevat punt de fusió, és l'alt contingut en guanines i citosines que conté el DNA, ja que aquestes formen tres ponts d'hidrogen i, per tant, dificulta més la seva degradació.3


Imatge 6. Procés de superenrotllament del DNA
dels termòfils i hipertermòfils.



La principal característica dels hipertermòfils que permet que els organismes puguin ciureen aquests ambients, és la seva membrana cel·lular. Aquesta està estructurada, generalment, per una monocapa lipídica formada per isoprenoides, degut a que és més resistent a la disgregació.

Per altra banda, els termòfils generalment presenten una bicapa lipídica en la qual presenten una gran quantitat d'àcids grassos saturats, els quals augmenten la rigidesa de la membrana, contrarestant l'efecte de la temperatura, la qual confereix fluidesa a la membrana.

Imatge 7. Diferències entre la membrana dels bacteris (a) i dels arqueus (b)       


  • PSICRÒFILS
Aquests microorganismes, al contrari dels termòfils i els hipertermòfils, viuen en temperatures fredes i, per tant, han utilitzat altres estratègies per tal de poder sobreviure en aquests ambients. Les adaptacions adquirides contraresten l'efecte del fred, és a dir, la disminució del ritme de les reaccions metabòliques i l'increment de rigidesa de les estructures.

Imatge 8. Iceberg en el qual hi viuen psicròfils,
entre ells Psychrobacter sp.

Imatge 9. Psychrobacter sp.

Els psicròfils tenen una membrana plasmàtica amb una gran quantitat d'àcids grassos insaturats, els quals permeten mantenir la fluidesa de la membrana, contrarestant l'efecte de les baixes temperatures. Aquesta fluidesa també es veu afavorida pel fet de contenir metil - àcids grassos ramificats i presentar una longitud menor de la cadena d'acil.Alguns d'aquests microorganismes produeixen desaturases, que són catalitzadors que redueixen la saturació dels àcids grassos preexistents a la membrana.7


Imatge 10. Estructura terciària
d'una desaturasa.


Una altra estratègia adoptada pels psicròfils és la sobrerregulació d'acetat, la qual augmenta el transport i el seu respectiu processament, per tal de poder suplir demandes d'energia i de carboni. Un altre tipus de regulació que duen a terme és la regulació adequada dels transportadors de ferro, que disminueixen l'estrès oxidatiu i permeten una major producció d'enzims dependents de ferro per contrarrestar la disminució de les tases d'activitat de l'enzim.8

Aquests microorganismes, a diferència dels que estan adaptats a viure en ambients amb temperatures altes, contenen una major quantitat d'aminoàcids polars en les seves proteïnes, els quals permeten l'estabilitat de l'estructura. A més, els enzims que són actius en ambients freds, tenen una major quantitat estructures hèlix - α i una menor quantitat de fulles - β, ja que les hèlix - α proporcionen una major flexibilitat en aquestes condicions.3


Imatge 11. Hèlix - α

Imatge 12. Fulla - β


CONCLUSIÓ

Els microorganismes que han patit més adaptacions i, per tant, els que haurien desenvolupat les estratègies adaptatives, són els que trobem en els ambients més comuns, és a dir, amb unes condicions ambientals normals; ja que el que coneixem com a extremòfils són microorganismes els quals van aparèixer quan les condicions del planeta eren les que ara coneixem com a extremes i, per tant, al no canviar d’hàbitat, no han tingut la necessitat d’adaptar-se. És per aquest fet que l'astrobiologia utilitza aquests microorganismes per la recerca de vida en altres planetes, ja que en aquests hi ha unes condicions ambientals semblants a les que hi havien hagut a la Terra fa milions d'anys, quan van aparèixer aquests organismes.


Tot i així, en el blog s’ha parlat d’estratègies adaptatives als canvis estructurals i moleculars que presenten els extremòfils vers els mesòfils. Amb aquest fet, es pot veure la gran plasticitat que tenen els procariotes gràcies a la seva simplicitat organitzativa.



Les adaptacions dels extremòfils són úniques i els han fet capaços d’enfrontar-se a adversitats naturals que ataquen les molècules orgàniques i al seu bon funcionament. Aquestes característiques els hi confereixen oportunitats per sobreviure en llocs inhòspits i explotar recursos on els demés microorganismes no podrien viure, amb la qual cosa, les estratègies els hi representen un avantatge per tal de mantenir-se en un hàbitat on la competència és mínima. Gràcies a aquest fet, aquests microorganismes primitius han persistit des de fa milions d’anys i sobreviuran durant milions d’anys.

VÍDEO



BIBLIOGRAFIA
  1. Ramírez D., Ninfa; Serrano R., José Antonio; Sandoval T., Horacio (2006). “Microorganismos extremófilos. Actinomicetos halófilos en México” a Revista Mexicana de Ciencias Farmacéuticas, vol.37, 3, 56-71.
  2. Prescott, L M, Harley, J P, Klein, D A (2004). Microbiología (5). McGraw-Hill Interamericana.
  3. Madigan, M T, Martinko, J M, Dunlap, P V & Clark, D P (2003). Brock Biologia de los Microorganismos (10). Prentice Hall.
  4. Kumar, S., Nussinov, R (2001). How do thermophilic proteins deal with heat? Cellular amn Molecular Life Sciences 58 (9): 1216-1233.
  5. Wintrode, P.L., Zhang, D., Vaidehi, N., Arnold, F.H., Goddard III, W.A. (2003). Protein dynamics in family of laboratory evolved thermophilic enzymes. Journal of Molecular Biology 327 (3): 745-757.26. 
  6. Russell, N. (1997). Psychrophilic bacteria—molecular adaptations of membrane lipids. Comp. Biochem Physiol Physiol 118:489–493 pp.
  7. Rodrigues D, Ivanova N, He Z, Huebner M, Zhou J, Tiedje J. 2008. Architecture of thermal adaptation in an Exiguobacterium sibiricum strain isolated from 3 million year old permafrost: a genome and transcriptome approach. BMC Genomics 9(1):547.
  8. Bakermans C, Tollaksen S, Giometti C, Wilkerson C, Tiedje J, Thomashow M. 2007. Proteomic analysis of Psychrobacter cryohalolentis K5 during growth at subzero temperatures. Extremophiles 11(2): 343–354 pp.

22 comentaris:

  1. El treball que heu preparat segueix un fil conductor adequat i, en general, abarca els diferents aspectes que cal incloure per explicar el tema. Hi ha alguns aspectes que hauríeu de millorar:
    - En primer lloc, cal que reviseu l'estil de redacció. És molt col·loquial i poc científic, de vegades fins i tot subjectiu o poc encertat per a la comunicació escrita. L'heu de polir perquè quedi més seriós, sense deixar de ser divulgatiu. També podríeu millorar la manera de presentar i posar títol als apartats, des d'un punt de vista formal podríeu aconseguir que fos més clara la jerarquització de les diferents parts del treball.
    - A la introducció pràcticament us limiteu a fer un resum esquemàtic del treball. Hauria de servir per explicar alguns conceptes previs (ecològics, fisiològics, evolutius, ...) que calgui tenir clars i contextualitzar el treball. Per exemple, es podria explicar el concepte d'ambient extrem i els diferents tipus de factors que poden determinar que un ambient sigui extrem. També podria estar bé que comentéssiu com responen, de forma genèrica, els éssers vius davant un determinat paràmetre ambiental (rangs de tolerància, valors òptims, ...)
    - Quan descriviu els diferents tipus d'adaptacions a la temperatura, seria més clar si esmentéssiu sempre un rang de temperatura (a més de l'òptim, que també podeu fer constar si és el cas). En aquest sentit, el concepte de psicrotolerant sembla una mica incoherent amb la classificació, potser us aniria bé relacionar-ho amb els diferents paràmetres que es poden tenir en compte, com el rang de tolerància o els valors òptims (i que caldria haver comentat abans).
    - En relació a les adaptacions concretes, un aspecte general que aniria bé comentar per a cada cas és el tipus de problemàtiques que generen els diferents rangs extrems de temperatura. Ajudaria a entendre millor les adaptacions si abans expliquéssiu els problemes que han de solventar els microorganismes.
    - Els apartats corresponents als termòfils i hipertermòfils potser es podrien fusionar, ja que les adaptacions són similars o com a mínim van en un mateix sentit, igual que les problemàtiques que tenen. Un cop dins aquest apartat, si ho trobeu interessant, podeu remarcar algunes diferències entre les dues tipologies.
    - Hi trobo a faltar alguns (pocs) factors que confereixen adaptacions. Per exemple, els hipertermòfils no tenen també variacions en les insaturacions dels àcids grassos? O tant hipertermòfils com termòfils, en la seva longitud? A més de variacions en els aa per millorar la seva estabilitat, els enzims no tenen també diferències funcionals per ser més eficients a les temperatures corresponents? I la composició de l'ADN, el percentatge dels diferents nucleòtids que el constitueixen?
    - Podríeu comentar també alguna cosa de les aplicacions dels microorganismes adaptats a ambients extrems o les possibles utilitats del seu estudi (per exemple, en relació amb la recerca de vida extraterrestre). Al començament en parleu, però després no ho desenvolupeu, de manera que s'acaben creant falses expectatives.
    - Les conclusions haurien de ser una mica més sòlides i fonamentades en els aspectes que s'han desenvolupat al llarg del treball.
    - Hi falten, sobretot, ilustracions que ajudin a entendre el text i fer-lo més divulgatiu. Podeu posar-ne de molts tipus diferents: esquemes moleculars, fotografies de microorganismes i dels ambients on es troben, ... El vídeo que poseu al final també és adequat, però cal que el pogueu ubicar en el text (per exemple, si parleu de la utilitat de l'estudi dels extremòfils per conèixer la vida extraterrestre). En tots els casos, les ilustracions han d'estar citades en el text i, si s'han extret d'algun lloc, referenciades correctament d'acord amb la bibliografia, igual que els textos.

    ResponElimina
  2. Pregunta avaluable: Tal com dieu els hipertermofils no han canviat pràcticament de ambient durant mil milions de anys. Trobeu que l'estudi de procariotes com els de les xemeneies submarines sigui important per la historia evolutiva? També quan dieu que:"el camp de l'astrobiologia està duen a terme una recerca de vida extraterrestre gràcies a aquests microorganismes, ja que els extremòfils habiten en ambients amb unes condicions similars a les condicions ambientals d'altres planetes". Ho referiu a que busca planetes amb possibles nous habitats no analitzats fins ara o que busca organismes(vida)?
    Marc Fernández Albar

    ResponElimina
    Respostes
    1. Bona tarda Marc,
      Pel que fa a les teves preguntes:

      - Sí que creiem que l'estudi dels procariotes com els de les xemeneies submarines, que són organismes que viuen en condicions extremes, és important per la història evolutiva ja que ens ajuden a tenir una visió de com han evolucionat els organismes que viuen en condicions normals. Sempre partint de la base que els microorganismes que viuen en condicions normals, són els que han evolucionat a partir dels extremòfils, que és la conclusió que vam extreure nosaltres.

      - Com bé diem en el text, l'estudi que està realitzant el camp de l'astrobiologia és la recerca de vida en altres planetes, és a dir, està buscant si hi viuen microorganismes. No cerquen nous ambients.

      Elimina
  3. Avaluable:
    M’agradaria saber quin és el principal motiu perquè aquests microorganismes termòfils i hipertermòfils no poden viure en ambients amb temperatures semblants a les que viuen els microorganismes mesòfils, ja que des del meu punt de visa totes les adaptacions que heu esmentat (com per exemple l’augment de enllaços iònics, realitzar un plegament específic en les proteïnes per estabilitzar-les, augmentar el superenrotllament del DNA o augmentar el nombre de guanines i citosines també en el DNA per tindre més ponts d’hidrogen) faciliten el creixement en ambients extrems però no impedeixen el creixement en ambients amb temperatures més suaus.

    ResponElimina
    Respostes
    1. Bona tarda,
      el motiu és que totes les adaptacions que presenten estan preparades per funcionar únicament a aquestes temperatures altes. Per això quan els exposem a temperatures inferiors no són capaços de sobreviure ja que per ells són temperatures "fredes" i per davall del rang de temperatura de creixement.

      Elimina
  4. Xavier Ferrer Florensa7 de maig del 2016, a les 10:14

    Avaluable:
    En el vostre treball expliqueu que per tal de contrarestar les condicions adverses on viuen els termòfils, aquests tenen molts àcids grassos saturats en la seva membrana plasmàtica. La meva pregunta és si els hipertermòfils tindran una alta quantitat d’àcids grassos saturats com els termòfils, o bé no els hi cal al tenir monocapa lipídica

    ResponElimina
    Respostes
    1. Bona tarda Xavier,

      "La principal característica dels hipertermòfils que permet que els organismes puguin ciureen aquests ambients, és la seva membrana cel·lular. Aquesta està estructurada, generalment, per una monocapa lipídica formada per isoprenoides, degut a que és més resistent a la disgregació.

      Per altra banda, els termòfils generalment presenten una bicapa lipídica en la qual presenten una gran quantitat d'àcids grassos saturats, els quals augmenten la rigidesa de la membrana, contrarestant l'efecte de la temperatura, la qual confereix fluidesa a la membrana."

      Com bé comentem en el blog, els hipertermòfils són arqueus, amb la qual cosa presenten una monocapa lipídica, la qual no té àcids grassos, sinó que conté isoprenoides. Aquest fet provoca que sigui més resistent a la disgregació i, per això (entre altres), són capaços de resistir temperatures molt elevades.

      Elimina
  5. L'autor ha eliminat aquest comentari.

    ResponElimina
  6. Comentari avaluable:

    Heu fet referència a que aquests microorganismes són beneficiosos per a nosaltres gràcies a les estructures i molècules que presenten. Una de les coses que heu dit que ens afavoreix es en el la utilització pel processament tèxtil. Quina relació hi ha entre ser un microorganisme extremista i el processament de roba?

    Marina Portella

    ResponElimina
    Respostes
    1. Bona tarda Marina,

      La relació que hi ha entre els microorganismes extremòfils i el processament de roba és el fet de que la indústria tèxtil segueix alguns procediments (com per exemple, la tinció de la roba), en els quals es necessita arribar a temperatures molt altes; amb la qual cosa es necessiten ennzims que puguin funcionar en aquestes temperatures, que són els enzims dels organismes extremòfils.

      Elimina
  7. COMENTARI AVALUABLE:

    Tal i com es mostra en la imatge 2, parleu de que existeix un microorganisme per cada rang de temperatura, és a dir, que tots oscil·len en un rang de 30ºC, com per exemple els hipertermòfils que es troben entre els 70ºC i 110ºC aproximadament. Però, existeix algun grup de bacteris que abarqui un rang ample de temperatures?


    Mireia Raventós Resina

    ResponElimina
    Respostes
    1. Bona tarda Mireia,

      Suposem que quan parles de rang de temperatura ample et refereixes a un rang que abarca temperatures de diferents grups de microorganismes.

      No hi ha cap grup de bacteris que abarqui un rang de temperatura més ample que el que hem comentat anteriorment, ja que cada grup de microorganismes (hipertermòfils, termòfils, mesòfils i psicròfils) tenen unes certes adaptacions que els permeten viure en aquell cert ambient i que, evidentment, pel canvi de temperatura, és incompatible amb un altre.

      Per exemple, el fet dels àcids grassos a la membrana. A temperatures altes, els microorganismes presenten àcids grassos saturats, ja que els confereix rigidesa a la membrana. En canvi, a temperatures baixes contenen àcids grassos insaturats. Amb la qual cosa, seria impossible que un microorganisme pogués viure en els dos ambients.

      Elimina
  8. Pregunta avaluable:
    Podrieu citar el nom d'alguna/es família o gènere característic dels procariotes hipertermòfils ? Quines similituds presenten entre ells ?

    Oriol Alcázar Ventura

    ResponElimina
    Respostes
    1. Bona tarda Oriol,

      Dels hipertermòfils, a més del que hem comentat en el blog, que és el Thermus aquaticus; alguns altres exemples serien Methanopyrus kandieri, Pyrococcus furiosus, entre altres.

      Les similituds que presenten aquests microorganismes són les adaptacions comentades anteriorment en el blog (superenrotllament del DNA, contingut de GC, entre altres).

      Elimina
  9. Pregunta avaluable:
    Podrieu citar el nom d'alguna/es família o gènere característic dels procariotes hipertermòfils ? Quines similituds presenten entre ells ?

    Oriol Alcázar Ventura

    ResponElimina
  10. PREGUNTA EVALUABLE

    Se sabe si es "más fácil" adaptarse a un clima muy cálido que a uno muy frío (o al revés), es decir, ¿hay más diversidad de bacterias termófilas o de bacterias psicrófilas?

    Pablo Fernández Fernández

    ResponElimina
  11. Pregunta evaluable
    Una de les propietats dels extremòfils es el superenrotllament de la molècula de DNA, augmentant així la seva resistència a la desnauralització. Això pot afectar alhora de la reproducció o divisió ?

    Noa Calavia Sió

    ResponElimina
    Respostes
    1. Bona tarda Noa,

      El fet de presentar superenrotllament de la molècula de DNA no afecta al procés de divisió dels bacteris, ja que contenen enzims (topoisomerases) per tal de canviar l'estat del DNA i desenrotllar-lo.

      Elimina