ACIDOFIELEN: KENMERKEN, VOORBEELDEN VAN MICRO-ORGANISMEN, TOEPASSINGEN - BIOLOGIE - 2024

Acidofiele organismen zijn een type micro-organisme (prokaryoot of eukaryoot) dat in staat is zich te vermenigvuldigen en te leven in omgevingen met een pH-waarde van minder dan 3. In feite komt de term acidophilus uit het Grieks en betekent "zuurliefhebber".

Deze omgevingen kunnen afkomstig zijn van vulkanische activiteiten waarbij zwavelhoudende gassen vrijkomen of een mengsel van metaaloxiden uit ijzermijnen. Bovendien kunnen ze het product zijn van de activiteit of het metabolisme van de organismen zelf, die hun eigen omgeving verzuren om te overleven.

Het zure water van de Rio Tinto dient als leefgebied voor een grote verscheidenheid aan zuur-phile micro-organismen die het zijn karakteristieke kleur geven. Door Antonio de Mijas, Spanje, van Wikimedia Commons.

Organismen die in deze categorie zijn ingedeeld, behoren ook tot de grote groep van Extremofiele organismen, aangezien ze groeien in omgevingen met een zeer zuur pH. Waar de meeste cellen niet kunnen overleven.

Bovendien is het belangrijk om te benadrukken dat deze groep organismen van groot belang is vanuit ecologisch en economisch oogpunt.

Algemene karakteristieken

Competitie, predatie, mutualisme en synergie

De meeste acidofiele organismen groeien en leven in aanwezigheid van zuurstof. Er zijn echter aanwijzingen voor acidophilus die zich zowel in afwezigheid als in aanwezigheid van zuurstof kan ontwikkelen.

Bovendien brengen deze organismen verschillende soorten interacties tot stand met andere organismen, zoals competitie, predatie, mutualisme en synergie. Een voorbeeld zijn de gemengde culturen van acidophilus die een hogere groei en efficiëntie vertonen bij de oxidatie van zwavelmineralen dan de individuele culturen.

Maagzuur, een probleem om op te lossen

Acidofielen lijken onderscheidende structurele en functionele kenmerken te delen waardoor ze de zuurgraad kunnen neutraliseren. Deze omvatten zeer ondoordringbare celmembranen, een hoog intern regulerend vermogen en unieke transportsystemen.

Omdat acidofielen in een omgeving leven waar de concentratie van protonen hoog is, hebben ze pompsystemen ontwikkeld die verantwoordelijk zijn voor het verdrijven van protonen naar buiten. Deze strategie zorgt ervoor dat het inwendige van de bacteriën een pH heeft die bijna neutraal is.

Acidofiele organismen hebben een systeem van protonenpompen ontwikkeld waarmee ze protonen naar buiten kunnen pompen en de intracellulaire pH bijna neutraal houden. Door PhilMacD, van Wikimedia Commons.

In mijnen met een hoog gehalte aan zwavelzuur zijn echter micro-organismen zonder celwand aangetroffen, wat aangeeft dat ze zelfs zonder deze bescherming aan hoge concentraties protonen worden blootgesteld.

Aan de andere kant moeten ze, vanwege de extreme omstandigheden waaraan dit soort micro-organismen worden blootgesteld, garanderen dat al hun eiwitten functioneel en niet gedenatureerd zijn.

Hiervoor hebben de gesynthetiseerde eiwitten een hoog molecuulgewicht, zodat er een groter aantal bindingen is tussen de aminozuren waaruit ze bestaan. Op deze manier wordt het moeilijker om de bindingen te verbreken en wordt er meer stabiliteit aan de eiwitstructuur gegeven.

Hoge membraanondoorlaatbaarheid

Zodra de protonen het cytoplasma binnendringen, moeten acidofiele organismen methoden implementeren waarmee ze de effecten van een verlaagde interne pH kunnen verlichten.

Om de pH te helpen behouden, hebben acidofielen een ondoordringbaar celmembraan dat het binnendringen van protonen in het cytoplasma beperkt. Dit komt omdat het membraan van archaea acidofielen is samengesteld uit andere soorten lipiden dan die worden aangetroffen in bacteriën en eukaryote celmembranen.

In archaea hebben fosfolipiden een hydrofoob (isopenoïde) gebied en een polair gebied dat bestaat uit de glycerolruggengraat en de fosfaatgroep. In ieder geval is de verbinding het gevolg van een etherbinding, die vooral bij hoge temperaturen een grotere weerstand genereert.

Bovendien hebben archaea in sommige gevallen geen dubbellagen, maar eerder het product van de vereniging van twee hydrofobe ketens, ze vormen een monolaag waar het enige molecuul van twee polaire groepen hen een grotere weerstand geeft.

Aan de andere kant, ondanks het feit dat de fosfolipiden die de membranen van bacteriën en eukaryoten vormen dezelfde structuur behouden (een hydrofoob en een polair gebied), zijn de bindingen van het estertype en vormen ze een lipidedubbellaag.

Belangrijkheid van

Acidofiele organismen zijn van potentieel belang bij de evolutie omdat de lage pH en de metaalrijke omstandigheden waarin ze groeien mogelijk vergelijkbaar zijn geweest met de onderzeese vulkanische omstandigheden in de vroege aarde.

Aldus zouden acidofiele organismen primordiale relikwieën kunnen vertegenwoordigen waaruit een complexer leven is voortgekomen.

Bovendien, omdat de metabolische processen kunnen zijn ontstaan ​​op het oppervlak van de sulfidemineralen, zou de DNA-structurering van deze organismen mogelijk hebben plaatsgevonden bij een zure pH.

Regulatie in acidofiele organismen

De regulering van de pH is essentieel voor alle organismen, daarom moeten acidofielen een intracellulaire pH hebben die bijna neutraal is.

Acidofiele organismen zijn echter in staat om pH-gradiënten van verschillende orden van grootte te verdragen, vergeleken met organismen die alleen groeien bij pH's die dicht bij neutraal liggen. Een voorbeeld is Thermoplasma acidophilum dat in staat is om op pH 1,4 te leven terwijl de interne pH op 6,4 wordt gehouden.

Het interessante van acidofiele organismen is dat ze profiteren van deze pH-gradiënt om energie te produceren door middel van een proton-aandrijfkracht.

Voorbeelden van acidofiele micro-organismen

Acidofiele organismen komen voornamelijk voor in bacteriën en archaea en dragen bij aan talrijke biogeochemische cycli, waaronder de ijzer- en zwavelcycli.

Onder de eerste hebben we Ferroplasma acidarmanus, een archa die kan groeien in omgevingen met een pH van bijna nul. Andere prokaryoten zijn Picrophilus oshimae en Picrophilus torridus, die ook thermofiel zijn en groeien in Japanse vulkanische kraters.

We hebben ook enkele acidofiele eukaryoten zoals Cyanidyum caldariuym, die in staat zijn om bij een pH van bijna nul te leven, waardoor het inwendige van de cel op een bijna neutraal niveau blijft.

Acontium cylatium, Cephalosporium sp. en Trichosporon cerebriae, zijn drie eukaryoten uit het Fungi Kingdom. Andere even interessant zijn Picrophilus oshimae en Picrophilus torridus.

Toepassingen

Uitloging

Een belangrijke rol van acidofiele micro-organismen is hun biotechnologische toepassing, met name bij de extractie van metalen uit mineralen, waardoor de verontreinigingen die worden gegenereerd door traditionele chemische methoden (uitloging) aanzienlijk worden verminderd.

Dit proces is vooral nuttig bij kopermijnbouw, waar bijvoorbeeld Thobacillus sulfolobus als katalysator kan werken en de oxidatiesnelheid van kopersulfaat die zich tijdens oxidatie vormt, kan versnellen, waardoor het metaal wordt opgelost.

Voedselindustrie

Acidofiele organismen hebben enzymen van industrieel belang, omdat ze een bron zijn van zuurstabiele enzymen met toepassingen als smeermiddelen.

Daarnaast wordt in de voedingsindustrie de productie van amylasen en glucoamylasen gebruikt voor de verwerking van zetmeel, de bakkerij, de verwerking van vruchtensappen.

Bovendien worden ze veel gebruikt bij de productie van proteasen en cellulasen die worden gebruikt als diervoedercomponenten en bij de vervaardiging van farmaceutische producten.

Referenties

1. Baker-Austin C, Dopson M.Leven in zuur: pH-homeostase bij acidofielen. Trends Microbiol. 2007; 15 (4): 165-71.
2. Edwards KJ, Bond PL, Gihring TM, Banfield JF. Een Arqueal ijzeroxiderende extreme acidofiel belangrijk bij de afvoer van zure mijnen. Wetenschap. 2000; 287: 1796-1799.
3. Horikoshi K. Alkaliphiles: Enkele toepassingen van hun producten voor biotechnologie. Microbiologie en moleculaire biologie beoordelingen. 1999; 63: 735-750.
4. Kar NS, Dasgupta AK. De mogelijke rol van oppervlaktelading in membraanorganisatie bij een acidofiel, Indiër. Journal of Biochemistry and Biophysics. 1996; 33: 398-402.
5. Macalady JL, Vestling MM, Baumler D, Boekelheide N, Kaspar CW, Banfield JF. Tetraether-gekoppelde membraanmonolagen in Ferroplasma spp: een sleutel tot overleving in zuur. Extremofielen. 2004; 8: 411-419
6. Madigan MT, Martinko JM, Parker J. 2003. Prokaryotische diversiteit: Archea. In: Madigan MT, Martinko JM, Parker J. (eds). Brock Microbiology of Micro-organismen. Tien editie. Ed. Pearson-Prentice Hall, Madrid, pp 741-766.
7. Schleper C, Pühler G, Kühlmorgen B, Zillig W.Leven bij extreem lage pH. Natuur. negentienvijfennegentig; 375: 741-742.
8. Wiegel J, Keubrin UV. Alkalitermofielen. Biochemical Society-transacties. 2004; 32: 193-198.