Psykrofil - Psychrophile

Psykrofiler eller kryofiler (adj. Psykrofile eller kryofile) er ekstremofile organismer som er i stand til å vokse og reprodusere ved lave temperaturer, fra -20 ° C til +10 ° C. De finnes på steder som er permanent kalde, slik som polarområdene og dyphavet. De kan stå i kontrast med termofiler , som er organismer som trives ved uvanlig høye temperaturer, og mesofiler ved mellomtemperaturer. Psychrophile er gresk for 'kaldelskende', fra ψυχρός ( psukhrós : kald, frossen).

Mange slike organismer er bakterier eller archaea , men noen eukaryoter som lav , snøalger , sopp og vingeløse midger , er også klassifisert som psykrofiler.

Biologi

De lichen Xanthoria elegans kan fortsette å photosynthe ved -24 ° C.

Habitat

De kalde miljøene som psykrofiler lever i, er allestedsnærværende på jorden, ettersom en stor brøkdel av planetarisk overflate opplever temperaturer lavere enn 15 ° C. De er tilstede i permafrost , is, isbreer , snøfelt og dypt hav . Disse organismer kan også finnes i lommer med sjøis med høyt saltholdighetsinnhold. Mikrobiell aktivitet er målt i jord som er frosset under -39 ° C. I tillegg til temperaturgrensen, må psykrofiler også tilpasse seg andre ekstreme miljøbegrensninger som kan oppstå som følge av deres habitat. Disse begrensningene inkluderer høyt trykk i dyphavet og høy saltkonsentrasjon på noe havis.

Tilpasninger

Psykrofiler er beskyttet mot frysing og ekspansjon av is ved isindusert uttørking og forglassing (glassovergang), så lenge de avkjøles sakte. Frie levende celler tørker ut og vitrifierer mellom −10 ° C og −26 ° C. Celler fra flercellede organismer kan vitrifieres ved temperaturer under −50 ° C. Cellene kan fortsette å ha en viss metabolsk aktivitet i den ekstracellulære væsken ned til disse temperaturene, og de forblir levedyktige når de er gjenopprettet til normale temperaturer.

De må også overvinne avstivningen av lipidcellemembranen, da dette er viktig for overlevelse og funksjonalitet til disse organismene. For å oppnå dette tilpasser psykrofiler lipidmembranstrukturer som har et høyt innhold av korte, umettede fettsyrer . Sammenlignet med lengre mettede fettsyrer, ved å inkorporere denne typen fettsyrer, kan lipidcellemembranen ha et lavere smeltepunkt, noe som øker membranenes fluiditet. I tillegg er karotenoider tilstede i membranen, som hjelper til med å modulere fluiditeten til den.

Frostvæskeproteiner blir også syntetisert for å beholde psykrofilers indre romvæske, og for å beskytte deres DNA når temperaturen synker under vannets frysepunkt. Ved å gjøre dette forhindrer proteinet at isdannelse eller omkrystalliseringsprosess oppstår.

Enzymene til disse organismene har blitt antatt å engasjere seg i et forhold mellom aktivitet og stabilitet-fleksibilitet som en metode for tilpasning til kulden; fleksibiliteten til enzymstrukturen vil øke som en måte å kompensere for frysende effekt av miljøet.

Enkelte kryofiler, som Gram-negative bakterier Vibrio og Aeromonas spp., Kan overgå til en levedyktig, men ikke-kulturell (VBNC) tilstand. Under VBNC kan en mikroorganisme puste og bruke underlag for metabolisme-den kan imidlertid ikke replikeres. En fordel med denne tilstanden er at den er svært reversibel. Det har blitt diskutert om VBNC er en aktiv overlevelsesstrategi, eller om organismenes celler til slutt ikke lenger vil kunne gjenopplives. Det er imidlertid bevis på at det kan være veldig effektivt - Gram -positive bakterier Actinobacteria har vist seg å ha levd omtrent 500 000 år under permafrostforholdene i Antarktis, Canada og Sibir.

Taksonomisk rekkevidde

Den vingeløse midgen ( Chironomidae ) Belgica antarctica .

Psykrofiler inkluderer bakterier, lav, sopp og insekter.

Blant bakteriene som tåler ekstrem kulde er Arthrobacter sp., Psychrobacter sp. og medlemmer av slektene Halomonas , Pseudomonas , Hyphomonas og Sphingomonas . Et annet eksempel er Chryseobacterium greenlandensis , en psykrofil som ble funnet i 120 000 år gammel is.

Umbilicaria antarctica og Xanthoria elegans er lav som er registrert fotosyntetisering ved temperaturer ned til −24 ° C, og de kan vokse ned til rundt −10 ° C. Noen flercellede eukaryoter kan også være metabolsk aktive ved temperaturer under null, for eksempel noen bartrær; de i Chironomidae -familien er fremdeles aktive ved -16 ° C.

Penicillium er en slekt av sopp som finnes i et bredt spekter av miljøer, inkludert ekstrem kulde.

Blant de psykrofile insektene har Grylloblattidae eller iscrawlers, funnet på fjelltoppene, optimale temperaturer mellom 1-4 ° C. Den vingeløse midgen (Chironomidae) Belgica antarctica tåler salt, blir frosset og sterkt ultrafiolett, og har det minste kjente genomet av et insekt. Det lille genomet , på 99 millioner basepar , antas å være tilpasset ekstreme miljøer.

Psykrotrofiske insekter

Insekter som er psykrotrofiske kan overleve kalde temperaturer gjennom flere generelle mekanismer (i motsetning til opportunistiske og chill mottakelige insekter): (1) chill tolerance, (2) freeze avoidance, and (3) freeze tolerance. Chill -tolerante insekter bukker under for kuldegrader etter langvarig eksponering for milde eller moderate kuldegrader. Fryse-unngående insekter kan overleve lengre tidsperioder ved underfrysingstemperaturer i en avkjølt tilstand, men dør ved deres avkjølingspunkt . Frysetolerante insekter kan overleve iskrystalldannelse i kroppen ved minusgrader. Frysetoleranse innenfor insekter hevdes å være på et kontinuum, med noen insektarter som viser delvis (f.eks. Tipula paludosa , Hemideina thoracica ), moderat (f.eks. Cryptocercus punctulatus ) og sterk frysetoleranse (f.eks. Eurosta solidaginis og Syrphus ribesii ) , og andre insektarter som utviser frysetoleranse med lavt avkjølingspunkt (f.eks. Pytho deplanatus ).

Psykrotrofiske bakterier

Psykrotrofiske mikrober er i stand til å vokse ved temperaturer under 7 ° C (44,6 ° F), men har bedre veksthastigheter ved høyere temperaturer. Psykrotrofiske bakterier og sopp er i stand til å vokse ved kjøletemperaturer, og kan være ansvarlig for ødeleggelse av mat og som matbårne patogener som Yersinia . De gir en estimering av produktets holdbarhet, men de kan også finnes i jordsmonn, i overflatevann og dypvann, i Antarktis økosystemer og i matvarer.

Psykrotrofiske bakterier er spesielt bekymrede for meieriindustrien . De fleste blir drept av pasteurisering ; de kan imidlertid være tilstede i melk som forurensninger etter pasteurisering på grunn av mindre enn tilstrekkelig sanitærpraksis. I følge Food Science Department ved Cornell University er psykrotrofer bakterier som kan vokse ved temperaturer på eller mindre enn 7 ° C (44,6 ° F). Ved kuldegrader blir veksten av psykrotrofiske bakterier ubetydelig eller stopper praktisk talt.

Alle tre underenhetene til RecBCD -enzymet er avgjørende for enzymets fysiologiske aktiviteter i Antarctic Pseudomonas syringae , nemlig reparasjon av DNA -skader og støtte vekst ved lav temperatur. RecBCD -enzymene er utskiftbare mellom de psykrofile P. syringae og mesofile E. coli når de leveres med hele proteinkomplekset fra samme art. Imidlertid er RecBC -proteinene (RecBCPs og RecBCEc) til de to bakteriene ikke likeverdige; RecBCEc er dyktig i rekombinasjon og reparasjon av DNA, og støtter veksten av P. syringae ved lav temperatur, mens RecBCP er utilstrekkelig for disse funksjonene. Til slutt er både helikase- og nukleaseaktivitet til RecBCDP-ene selv om det er viktig for DNA-reparasjon og vekst av P. syringae ved lav temperatur, men RecB-nukleaseaktiviteten er ikke avgjørende in vivo.

Psykrofil kontra psykrotrof

I 1940 uttalte ZoBell og Conn at de aldri hadde møtt "ekte psykrofiler" eller organismer som vokser best ved relativt lave temperaturer. I 1958 støttet JL Ingraham dette ved å konkludere med at det er svært få eller muligens ingen bakterier som passer til lærebokdefinisjonene av psykrofiler. Richard Y. Morita understreker dette ved å bruke begrepet psykrotrof for å beskrive organismer som ikke oppfyller definisjonen av psykrofiler. Forvirringen mellom begrepene psykrotrofer og psykrofiler ble startet fordi etterforskere ikke var klar over termolabiliteten til psykrofile organismer ved laboratorietemperaturer. På grunn av dette bestemte tidlige etterforskere ikke kardinaltemperaturene for isolatene sine.

Likheten mellom disse to er at de begge er i stand til å vokse på null, men optimale og øvre temperaturgrenser for veksten er lavere for psykrofiler sammenlignet med psykrotrofer. Psykrofiler er også oftere isolert fra permanent kalde habitater sammenlignet med psykrotrofer. Selv om psykrofile enzymer fortsatt er underbruk fordi kostnadene ved produksjon og behandling ved lave temperaturer er høyere enn for de kommersielle enzymene som er i bruk, vil oppmerksomheten og gjenoppblussen av forskningsinteresse for psykrofiler og psykrotrofer være en bidragsyter til forbedring av miljøet og ønsket om å spare energi.

Se også

Referanser

Videre lesning