HALOFIELEN: CLASSIFICATIE, OSMOSE, TOEPASSINGEN, VOORBEELDEN - BIOLOGIE - 2026

De halofiele organismen zijn een categorie micro-organismen, zowel prokaryoten als eukaryoten, die in staat zijn zich voort te planten en te leven in omgevingen met hoge zoutconcentraties, zoals zeewater en hypersaline dorre gebieden. De term halofiel komt van de Griekse woorden halos en filo, wat "liefhebber van zout" betekent.

Organismen die in deze categorie zijn ingedeeld, behoren ook tot de grote groep van extremofiele organismen, aangezien ze zich vermenigvuldigen in habitats met een extreem zoutgehalte, waar de meeste levende cellen niet zouden kunnen overleven.

Salinas, omgevingen met een extreem zoutgehalte waar extreme halofiele cellen zich vermenigvuldigen. Door H. Zell, van Wikimedia Commons.

In feite verliest de overgrote meerderheid van bestaande cellen snel water wanneer ze worden blootgesteld aan media die rijk zijn aan zout, en het is deze uitdroging die in veel gevallen snel tot de dood leidt.

Het vermogen van halofiele organismen om in deze omgevingen te kunnen leven, is te danken aan het feit dat ze hun osmotische druk ten opzichte van de omgeving kunnen balanceren en hun isosmotische cytoplasma met de extracellulaire omgeving kunnen behouden.

Ze zijn geclassificeerd op basis van de zoutconcentratie, waarin ze kunnen leven in extreme, gematigde, zwakke en halotolerante halofielen.

Enkele halofiele vertegenwoordigers zijn de groene alg Dunaliella salina, de schaaldier van het geslacht Artemia of watervlo, en de schimmels Aspergillus penicillioides en Aspergillus terreu.

Classificatie

Niet alle halofiele organismen kunnen zich vermenigvuldigen in een breed scala aan zoutconcentraties. Integendeel, ze verschillen in de mate van zoutgehalte die ze kunnen verdragen.

Dit tolerantieniveau, dat varieert tussen zeer specifieke concentraties NaCl, heeft gediend om ze te classificeren als extreme, matige, zwakke en halotolerante halofielen.

De groep van extreme halofielen omvat al die organismen die in staat zijn om omgevingen te bevolken waar NaCl-concentraties hoger zijn dan 20%.

Deze worden gevolgd door matige halofielen die prolifereren bij NaCl-concentraties tussen 10 en 20%; en zwakke halofielen, die dit doen bij lagere concentraties die variëren tussen 0,5 en 10%.

Ten slotte zijn de halotolerantes, organismen die alleen in staat zijn om lage concentraties zout te ondersteunen.

Osmose en zoutgehalte

Er is een grote verscheidenheid aan prokaryotische halofielen die bestand zijn tegen hoge concentraties NaCl.

Dit vermogen om saliniteitsomstandigheden te weerstaan ​​die variëren van laag, maar hoger dan die welke de meeste levende cellen kunnen verdragen, tot zeer extreme, is verworven dankzij de ontwikkeling van meerdere strategieën.

De belangrijkste of centrale strategie is om de gevolgen van een fysiek proces dat bekend staat als osmose te vermijden.

Dit fenomeen verwijst naar de beweging van water door een semi-permeabel membraan, van een plaats met een lage concentratie opgeloste stoffen naar een plaats met een hogere concentratie.

Als er dus in de extracellulaire omgeving (omgeving waarin een organisme zich ontwikkelt) zoutconcentraties zijn die hoger zijn dan die in zijn cytosol, verliest het water naar buiten en zal het uitdrogen tot de dood.

Om dit waterverlies te voorkomen, slaan ze ondertussen hoge concentraties opgeloste stoffen (zouten) op in hun cytoplasma om de effecten van osmotische druk te compenseren.

Adaptieve strategieën om met zoutgehalte om te gaan

Halofiele bacteriën. Door Maulucioni gebaseerd op afbeeldingen van Commons, van Wikimedia Commons.

Enkele van de strategieën die door deze organismen worden gebruikt, zijn: de synthese van enzymen die hun activiteit kunnen behouden bij hoge zoutconcentraties, paarse membranen die groei door fototrofie mogelijk maken, sensoren die de fototactische respons reguleren, zoals rodopsine, en gasblaasjes die hun groei bevorderen. drijven.

Bovendien moet worden opgemerkt dat de omgevingen waarin deze organismen groeien behoorlijk veranderlijk zijn, wat een risico voor hun overleving met zich meebrengt. Daarom ontwikkelen ze andere strategieën die zijn aangepast aan deze omstandigheden.

Een van de veranderende factoren is de concentratie van opgeloste stoffen, die niet alleen belangrijk is in hypersaline-omgevingen, maar in elke omgeving waar regen of hoge temperaturen uitdroging kunnen veroorzaken en bijgevolg variaties in osmolariteit.

Om met deze veranderingen om te gaan, hebben halofiele micro-organismen twee mechanismen ontwikkeld die hen in staat stellen een hyperosmotisch cytoplasma te behouden. Een van hen noemde 'salt-in' en de andere 'salt-out'

Salt-in-mechanisme

Dit mechanisme wordt uitgevoerd door Archeas en Haloanaerobiales (strikt anaërobe matige halofiele bacteriën) en bestaat uit het verhogen van de interne concentraties van KCl in hun cytoplasma.

De hoge zoutconcentratie in het cytoplasma heeft er echter toe geleid dat ze moleculaire aanpassingen hebben doorgevoerd voor de normale werking van intracellulaire enzymen.

Deze aanpassingen bestaan ​​in wezen uit de synthese van eiwitten en enzymen die rijk zijn aan zure aminozuren en arm aan hydrofobe aminozuren.

Een beperking voor dit type strategie is dat de organismen die het uitvoeren een slecht vermogen hebben om zich aan te passen aan plotselinge veranderingen in osmolariteit, waardoor hun groei beperkt wordt tot omgevingen met zeer hoge zoutconcentraties.

Salt-out-mechanisme

Dit mechanisme wordt gebruikt door zowel halofiele als niet-halofiele bacteriën, naast matige halofiele methanogene archaea.

Hierin voert het halofiele micro-organisme de osmotische balans uit met behulp van kleine organische moleculen die erdoor kunnen worden gesynthetiseerd of uit het medium kunnen worden gehaald.

Deze moleculen kunnen polyolen zijn (zoals glycerol en arabinitol), suikers zoals sucrose, trehalose of glucosylglycerol of aminozuren en derivaten van quaternaire aminen zoals glycine-betaïne.

Ze hebben allemaal een hoge oplosbaarheid in water, hebben geen lading bij fysiologische pH en kunnen concentratiewaarden bereiken waardoor deze micro-organismen het osmotische evenwicht met de externe omgeving kunnen behouden zonder de werking van hun eigen enzymen te beïnvloeden.

Bovendien hebben deze moleculen het vermogen om eiwitten te stabiliseren tegen hitte, uitdroging of bevriezing.

Toepassingen

Halofiele micro-organismen zijn zeer nuttig voor het verkrijgen van moleculen voor biotechnologische doeleinden.

Deze bacteriën leveren geen grote problemen op bij het kweken vanwege de lage voedingsbehoeften in hun media. Hun tolerantie voor hoge zoutconcentraties minimaliseert de risico's op besmetting, waardoor ze voordeliger alternatieve organismen zijn dan E. coli.

Bovendien zijn micro-organismen van groot belang als bron van industriële producten, zowel op farmaceutisch, cosmetisch als op biotechnologisch gebied, door de combinatie van de productiecapaciteit en de weerstand tegen extreme zoutgehaltes.

Een paar voorbeelden:

Enzymen

Veel industriële processen worden ontwikkeld onder extreme omstandigheden, wat een toepassingsgebied biedt voor enzymen geproduceerd door Extremofiele micro-organismen, die in staat zijn om te werken bij extreme waarden van temperatuur, pH of zoutgehalte. Aldus zijn amylasen en proteasen beschreven die in de moleculaire biologie worden gebruikt.

Polymeren

Evenzo zijn halofiele bacteriën producenten van polymeren met oppervlakteactieve en emulgerende eigenschappen die van groot belang zijn in de olie-industrie omdat ze bijdragen aan de winning van ruwe olie uit de ondergrond.

Compatibele opgeloste stoffen

De opgeloste stoffen die deze bacteriën ophopen in hun cytoplasma hebben een hoog stabiliserend en beschermend vermogen van enzymen, nucleïnezuren, membranen en zelfs hele cellen, tegen bevriezing, uitdroging, warmtedenaturatie en een hoog zoutgehalte.

Dit alles wordt zowel in de enzymtechnologie als in de voedings- en cosmetische industrie gebruikt om de levensduur van producten te verlengen.

Afval biologische afbraak

Halofiele bacteriën zijn in staat giftige residuen af ​​te breken, zoals pesticiden, farmaceutische producten, herbiciden, zware metalen en olie- en gaswinningsprocessen.

Voedingsmiddelen

Op het gebied van voeding nemen ze deel aan de productie van sojasaus.

Referenties

1. Dennis PP, Shimmin LC. Evolutionaire divergentie en door zoutgehalte gemedieerde selectie in halofiele Archaea. Microbiol Mol Biol Rev. 1997; 61: 90-104.
2. González-Hernández JC, Peña A. Aanpassingsstrategieën van halofiele micro-organismen en Debaryomyces hansenii (halofiele gist). Latin American Journal of Microbiology. 2002; 44 (3): 137-156.
3. Oren A. Bionergetische aspecten van halofilisme. Microbiol Mol Biol Rev. 1999; 63: 334-48.
4. Ramírez N, Sandoval AH, Serrano JA. Halofiele bacteriën en hun biotechnologische toepassingen. Rev Soc Ven Microbiol. 2004; 24: 1-2.
5. Wood JM, Bremer E, Csonka LN, Krämer R, Poolman B, Van der Heide T, Smith LT. Osmosenserende en osmoregulerende compatibele accumulatie van opgeloste stoffen door bacteriën. Comp Biochem Physiol. 2001; 130: 437-460.