PSYCHROFIELEN: KENMERKEN, TYPEN EN VOORBEELDEN - BIOLOGIE - 2026

De psychrofielen zijn een subtype van extremofielen die worden gekenmerkt door lage temperaturen, gewoonlijk tussen -20 ° C en 10 ° C, en permanent koude habitats bezetten. Deze organismen zijn meestal bacteriën of archaea, maar er zijn metazoanen zoals korstmossen, algen, schimmels, nematoden en zelfs insecten en gewervelde dieren.

Koude omgevingen domineren de biosfeer van de aarde en worden gekoloniseerd door overvloedige en diverse micro-organismen die mogelijk een cruciale rol spelen in wereldwijde biogeochemische cycli.

Lichen Xanthoria elegans is een bekende psychrofiel die kan fotosynthetiseren bij temperaturen zo laag als -24 ° C. Foto genomen in Alberta, Canada. Bron: Jason Hollinger via https://en.wikipedia.org/wiki/File:Xanthoria_elegans_97571_wb1.jpg

Naast lage temperaturen moeten psychrofiele organismen ook worden aangepast aan andere extreme omstandigheden, zoals hoge drukken, hoge concentraties zouten en hoge ultraviolette straling.

Kenmerken van psychrofiele organismen

Habitats

De belangrijkste habitats van psychrofiele organismen zijn:

-Polar mariene omgevingen.

-Bank of zee-ijs.

-Polar terrestrische omgevingen.

-Meren van grote hoogte en breedtegraad.

-Subglaciale meren.

-Koude alpine streken.

-Oppervlaktes van gletsjers.

-Polar woestijnen.

-Diepe oceaan.

Aanpassingen

Psychrofielen worden door verschillende aanpassingen tegen bevriezing beschermd. Een daarvan is de flexibiliteit van hun celmembranen, die ze bereiken door een hoog gehalte aan korte en onverzadigde vetzuren op te nemen in de structuren van hun lipidemembranen.

Het effect van de opname van deze vetzuren is de verlaging van het smeltpunt, waardoor tegelijkertijd de vloeibaarheid en de weerstand toenemen.

Een andere belangrijke aanpassing van psychrofielen is de synthese van antivrieseiwitten. Deze eiwitten houden lichaamswater vloeibaar en beschermen het DNA wanneer de temperatuur onder het vriespunt van water daalt. Ze voorkomen ook dat ijsvorming of herkristallisatie optreedt.

Soorten psychrofielen en voorbeelden

Eencellige organismen

De diversiteit van eencellige psychrofielen is erg groot, waaronder we leden van de meeste bacteriële lijnen kunnen noemen: Acidobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes, Chloroflexi, Cianobacteria, Firmicutes, Gemmatimonadetes, OP10 en Planctomycetes.

Verder zijn Proteobacteria en Verrucomicrobia gedetecteerd in het noordpoolgebied, antarctica en in alpiene cryoconen. Ze zijn ook aangetroffen in Groenland, Canada, Tibet en de Himalaya.

Onder de psychrofiele cyanobacteriën vinden we Leptolvngbva, Phormidium en Nostoc. Andere veel voorkomende geslachten zijn de eencellige Aphanothece, Chroococcus en Charnaesiphon, en de filamenteuze Oscillatoria, Microcoleus, Schizothrix, Anabaena, Calothrix, Crinalium en Plectonerna.

Meercellige organismen

Onder de psychrofiele insecten kunnen we het geslacht Diamesa noemen uit de Himalaya (Nepal), dat actief blijft tot het een temperatuur van -16 ° C bereikt.

Ook gevonden is de vleugelloze mug, Belgica Antarctica, 2–6 mm lang, endemisch voor Antarctica. Dit is het enige insect op het continent en tevens het enige uitsluitend landdier.

Figuur 2. De apterische mug Belgica antarctica, een endemisch insect van Antarctica. Bron: Tasteofcrayons, van Wikimedia Commons

Gewervelde dieren kunnen ook psychrofielen zijn. Enkele voorbeelden zijn een klein aantal kikkers, schildpadden en een slang die extracellulaire bevriezing van water (water buiten de cellen) gebruiken als een overlevingsstrategie om hun cellen tijdens de winter te beschermen.

De Antarctische nematode Panagrolaimus davidi kan intracellulaire bevriezing van het water overleven en vervolgens opnieuw groeien en zich voortplanten.

Ook de vissen van de Channichthyidae-familie - die in de koude wateren van Antarctica en zuidelijk Zuid-Amerika leven - gebruiken antivrieseiwitten om hun cellen te beschermen tegen volledige bevriezing.

Groeitemperaturen en psychrofiele organismen

De maximale groeitemperatuur (T _max ) van een organisme is de hoogste die het kan verdragen. Terwijl de optimale temperatuur (T _opt ) voor groei degene is waarin het organisme sneller groeit.

Alle organismen die overleven en gedijen in omgevingen met lage temperaturen, worden over het algemeen als psychrofielen beschouwd. Zoals we weten, mag de term psychrofiel echter alleen worden toegepast op die organismen waarvan de T _max 20 ° C is (dat wil zeggen, ze kunnen niet overleven bij hogere temperaturen).

Micro-organismen zijn geïsoleerd uit zeer koude gebieden, die kunnen groeien in laboratoriumomstandigheden bij temperaturen boven 20 ° C, wat aangeeft dat hoewel ze zijn aangepast aan lage temperaturen, ze niet als psychrofielen moeten worden beschouwd. Deze micro-organismen worden "mesotolerant" genoemd, dat wil zeggen dat ze gemiddelde temperaturen verdragen.

Methanococcoides burtonii

Sphingopyxis helaas

Sphingopyxis alaskensis is een bacterie die wordt geïsoleerd uit het zeewater van het noordelijk halfrond, waar temperaturen van 4 - 10 ° C heersen. Aan de andere kant groeien haloarchaea's, die archaea zijn die in sterk met zout verzadigde wateren leven, bij -20 ° C.

Ondanks dat ze hoge populaties hebben in hun natuurlijke habitat, kon geen van deze micro-organismen in het laboratorium worden gekweekt bij minder dan 4 ° C.

S. alaskensis heeft op zijn beurt een T _max van 45 ° C en haloarchaea kan groeien bij temperaturen boven 30 ° C, dus ze kunnen niet als psychrofiel worden beschouwd. Hun populaties zijn echter goed aangepast en zijn zeer talrijk in extreem koude gebieden.

Uit het bovenstaande kunnen we aannemen dat er andere beperkende omgevingsfactoren zijn die het voortbestaan ​​van deze organismen in hun natuurlijke habitat beïnvloeden, en temperatuur is niet de factor met het grootste gewicht.

Biotechnologische toepassingen

De enzymen van psychrofiele organismen worden gekenmerkt door een hoge activiteit bij lage en gematigde temperaturen. Bovendien hebben deze enzymen een slechte thermische stabiliteit.

Door deze eigenschappen zijn de enzymen van psychrofiele organismen zeer aantrekkelijk om toegepast te worden in diverse processen in onder meer de voedingsindustrie, geneeskunde, moleculaire biologie, in de farmaceutische industrie.

Referenties

1. Cavicchioli, R. (2015). Over het concept van een psychrofiel. The ISME Journal, 10 (4), 793-795. doi: 10.1038 / ismej.2015.160
2. Krembs, C. en Deming, JW (2008). De rol van exopolymeren bij microbiële aanpassing aan zee-ijs. In: Margesin, R., Schirmer, F., Marx, J.-C. en Gerday, C. reds) Psychrofielen: van biodiversiteit tot biotechnologie. Springer-Verlag, Berlijn, Duitsland, pp. 247-264.
3. Kohshima, S. (1984). Een nieuw koudetolerant insect gevonden in een Himalaya-gletsjer. Nature, 310 (5974), 225-227. doi: 10.1038 / 310225a0
4. Margesin, R. (redacteur). (2017). Psychrofielen: van biodiversiteit tot biotechnologie. Tweede druk. Springer Verlag, Heidelberg, Duitsland. pp. 685.
5. Miteva, V. (2008). Bacteriën in sneeuw en ijs. In: Margesin, R. en Schirmer, F. (eds) Psychrophiles: from Biodiversity to Biotechnology. Springer Verlag, Heidelberg, Duitsland, pp. 31-50.
6. Prijs, PB (2000). Een habitat voor psychrofielen in diep Antarctisch ijs. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 97, 1247-1251.