ХАЛОФИЛИ: КЛАСИФИКАЦИЯ, ОСМОЗА, ПРИЛОЖЕНИЯ, ПРИМЕРИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На халофилни организми са категория на микроорганизми, прокариоти и еукариоти двете, могат да се възпроизвеждат и на живо в среди с високи концентрации на сол като морска вода и hypersaline безводни области. Терминът халофил идва от гръцките думи halos и filo, което означава „любител на солта“.

Организмите, класифицирани в тази категория, също принадлежат към голямата група екстремофилни организми, тъй като те се разпространяват в изключително солени местообитания, където повечето живи клетки не биха могли да оцелеят.

Салини, среди с изключителна соленост, където екстремните халофилни клетки се размножават. От H. Zell, от Wikimedia Commons.

Всъщност по-голямата част от съществуващите клетки бързо губят вода, когато са изложени на среда, богата на сол и именно тази дехидратация в много случаи бързо води до смърт.

Способността на халофилните организми да могат да живеят в тези среди се дължи на факта, че те могат да балансират осмотичното си налягане спрямо околната среда и да поддържат своята изосмотична цитоплазма с извънклетъчната среда.

Те са класифицирани въз основа на концентрацията на сол, в която могат да живеят в екстремни, умерени, слаби и халотолерантни халофили.

Някои халофилни представители са зелената водорасла Dunaliella salina, ракообразният от рода Artemia или водна бълха и гъбите Aspergillus penicillioides и Aspergillus terreu.

класификация

Не всички халофилни организми са способни да се размножават в широк диапазон от концентрации на сол. Напротив, те се различават по степента на соленост, която са в състояние да понасят.

Това ниво на толеранс, което варира между много специфични концентрации на NaCl, служи за класифицирането им като екстремни, умерени, слаби и халотолерантни халофили.

Групата на екстремни халофили включва всички онези организми, способни да населят среда, където концентрациите на NaCl надвишават 20%.

Те са последвани от умерени халофили, които се размножават при концентрации на NaCl между 10 и 20%; и слаби халофили, които правят това при по-ниски концентрации, които варират между 0,5 и 10%.

Накрая халотолерантите са организми, които са способни да поддържат само ниски концентрации на сол.

Осмоза и соленост

Съществува голямо разнообразие от прокариотни халофили, способни да устоят на високи концентрации на NaCl.

Тази способност да се съпротивлява на условията на соленост, които варират от ниски, но по-високи от тези, които повечето живи клетки са способни да понасят, до много екстремни, са придобити благодарение на разработването на множество стратегии.

Основната или централната стратегия е да се избегнат последиците от физически процес, известен като осмоза.

Това явление се отнася до движението на водата през полупропусклива мембрана, от място с ниска концентрация на разтворители до такова с по-висока концентрация.

Следователно, ако в извънклетъчната среда (среда, в която се развива организъм) има концентрации на сол по-високи от тези в цитозола, тя ще загуби вода навън и ще се дехидратира до смърт.

Междувременно, за да избегнат тази загуба на вода, те съхраняват високи концентрации на разтворени вещества (соли) в цитоплазмата си, за да компенсират ефектите на осмотичното налягане.

Адаптивни стратегии за справяне със солеността

Халофилни бактерии. От Maulucioni въз основа на изображения от Commons, от Wikimedia Commons.

Някои от стратегиите, използвани от тези организми са: синтеза на ензими, способни да поддържат активността си при високи концентрации на сол, лилави мембрани, които позволяват растеж чрез фототрофия, сензори, които регулират фототактичния отговор, като родопсин, и газови везикули, които насърчават растежа им. плаващи съоръжения.

Освен това трябва да се отбележи, че средата, в която тези организми растат, е доста променлива, което създава риск за тяхното оцеляване. Поради това те разработват други стратегии, адаптирани към тези условия.

Един от променящите се фактори е концентрацията на разтворени вещества, която е важна не само в хиперсалиновата среда, но във всяка среда, където дъждовете или високите температури могат да причинят изсушаване и съответно промени в осмоларността.

За да се справят с тези промени, халофилните микроорганизми са разработили два механизма, които им позволяват да поддържат хиперосмотична цитоплазма. Единият от тях нарече "сол", а другият "сол"

Сол механизъм

Този механизъм се осъществява от Archeas и Haloanaerobiales (строги анаеробни умерено халофилни бактерии) и се състои в повишаване на вътрешните концентрации на KCl в тяхната цитоплазма.

Въпреки това, високата концентрация на сол в цитоплазмата ги е накарала да правят молекулни адаптации за нормалното функциониране на вътреклетъчните ензими.

Тези адаптации се състоят основно от синтеза на протеини и ензими, богати на кисели аминокиселини и бедни на хидрофобни аминокиселини.

Ограничение за този тип стратегия е, че онези организми, които го изпълняват, имат слаб капацитет да се адаптират към резки промени в осмоларността, ограничавайки растежа си до среди с много високи физиологични концентрации.

Механизъм за осоляване

Този механизъм се използва както от халофилни, така и от нехалофилни бактерии, в допълнение към умерените халофилни метаногенни археи.

При това халофилният микроорганизъм осъществява осмотичния баланс, използвайки малки органични молекули, които могат да бъдат синтезирани от него или взети от средата.

Тези молекули могат да бъдат полиоли (като глицерол и арабинитол), захари като захароза, трехалоза или глюкозил-глицерол или аминокиселини и производни на четвъртични амини като глицин-бетаин.

Всички те имат висока разтворимост във вода, нямат заряд при физиологично pH и могат да достигнат стойности на концентрации, които позволяват на тези микроорганизми да поддържат осмотичния баланс с външната среда, без да влияят на функционирането на собствените си ензими.

Освен това, тези молекули имат способността да стабилизират протеините срещу топлина, изсушаване или замръзване.

Приложения

Халофилните микроорганизми са много полезни за получаване на молекули за биотехнологични цели.

Тези бактерии не представляват големи трудности да бъдат култивирани поради ниските хранителни изисквания в тяхната среда. Тяхната поносимост към високи солни концентрации минимизира рисковете от замърсяване, което ги прави по-изгодни алтернативни организми от Е. coli.

Освен това, комбинирайки своя производствен капацитет и устойчивостта му към екстремни условия на соленост, микроорганизмите представляват голям интерес като източник на промишлени продукти, както във фармацевтичната, козметичната, така и в биотехнологичната област.

Няколко примера:

Ензимите

Много индустриални процеси се развиват при екстремни условия, което предлага поле за приложение на ензими, произведени от екстремофилни микроорганизми, способни да действат при екстремни стойности на температура, рН или соленост. По този начин са описани амилази и протеази, използвани в молекулярната биология.

Полимери

По същия начин халофилните бактерии са производители на полимери с повърхностно активни и емулгиращи свойства от голямо значение в нефтената промишленост, тъй като допринасят за извличането на суров нефт от недрата.

Съвместими разтворители

Разтворителите, които тези бактерии натрупват в цитоплазмата си, имат висока стабилизираща и защитна сила на ензими, нуклеинови киселини, мембрани и дори цели клетки, срещу замръзване, десикация, топлинна денатурация и висока соленост.

Всичко това се използва в ензимната технология, както и в хранително-вкусовата и козметичната индустрия за удължаване на живота на продуктите.

Биоразграждане на отпадъци

Халофилните бактерии са способни да разграждат токсичните отпадъци като пестициди, фармацевтични продукти, хербициди, тежки метали и процеси за извличане на нефт и газ.

храни

В областта на храните те участват в производството на соев сос.

Препратки

1. Dennis PP, Shimmin LC. Еволюционна дивергенция и медиирана от солеността селекция в халофилни Археи. Microbiol Mol Biol Rev. 1997; 61: 90-104.
2. González-Hernández JC, Peña A. Стратегии за адаптиране на халофилни микроорганизми и Debaryomyces hansenii (халофилни дрожди). Латиноамериканско списание по микробиология. 2002; 44 (3): 137-156.
3. Орен А. Бионергетични аспекти на халофилизма. Microbiol Mol Biol Rev. 1999; 63: 334-48.
4. Ramírez N, Sandoval AH, Serrano JA. Халофилни бактерии и техните биотехнологични приложения. 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. Съвместимите с осмочувствителни и осморегулаторни разтвори разтвори от бактерии. Comp Biochem Physiol. 2001; 130: 437-460.