Organizmy ekstremofilne i ich środowisko życia

Procaryota zdominowały ewolucyjną historię naszej planety, osiągając niemal każdą niszę ekologiczną. Szczególnie na tle Eucaryota wyróżnia się pewna specyficzna grupa – ekstremofile, która dzięki przystosowaniu do życia w niezwykle, z punktu widzenia człowieka, niekorzystnych warunkach stanowią istotną dziedzinę nie tylko mikrobiologii, ale również biologii ewolucyjnej, biochemii czy, być może przede wszystkim, astrobiologii. Badanie ekstremofili, ich przystosowań molekularnych i biochemicznych, pochodzenia poszczególnych grup i charakterystyka zajmowanych przez nie niszy ekologicznych ma szansę odpowiedzieć na najbardziej istotne pytania, które ludzkość zadaje sobie od kiedy ma zdolność do kreatywnego myślenia – „Skąd przyszliśmy? Kim jesteśmy? Dokąd idziemy?”.

(Poli)ekstremofile i ich wpływ na postrzeganie świata

Badania mikrobiologii środowiskowej, która intensywnie rozwijała się w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat – pozwoliły na znaczne rozszerzenie granic, w zasięgu których moglibyśmy spodziewać się znalezienia życia. Obecnie obejmują więc one znacznie szersze zakresy pH, temperatury, zasolenia czy też dostępności wody – zarówno wzwyż jak i w dół. Jeden postulat jednak pozostaje niezmienny – ŻYCIE WYMAGA OBENCOŚCI WODY W STANIE CIEKŁYM. Chociaż warunki, z którymi na co dzień się spotykamy, pozwalają nam sądzić, że woda w formie cieczy jest obecna tylko w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu 1 atmosfery, to fizyka tej cieczy jednak daje jej znacznie większe możliwości. Poprzez jednoczesny wpływ ciśnienia i temperatury możemy się spodziewać obecności ciekłej wody w temperaturze nawet 400°C (przypomnijmy, że w „warunkach domowych” woda o temperaturze przekraczającej 100°C występuje w postaci gazowej). Dzięki tym właściwościom życie ma szansę rozwinąć się w nawet najbardziej niezwykłych warunkach; pierwszy postulat – obecność ciekłej wody – jest bowiem spełniony.

Definicja „warunków ekstremalnych” opiera się na antropocentrycznym podejściu do świata. Rozważając więc organizmy ekstremofilne (nie mylić z ekstremotolerancyjnymi, które mogą rozwijać się w warunkach skrajnych, jednak najlepiej funkcjonują w pewnej średniej) należy pamiętać, że to co dla nas wydaje się być piekłem na ziemi, dla tych bakterii (lub wyżej uorganizowanych organizmów – znane są bowiem nawet ekstremofile i ekstremotoleranty wielokomórkowe) jest odpowiednikiem naszego ciepłego łóżka z książką i kubkiem kakao w jesienny wieczór. Kolejny problem w rozważaniu warunków ekstremalnych może wynikać z faktu, że wcale nie są one tak rzadkie ja byśmy mogli się spodziewać patrząc na samą nazwę. Skrajny chłód, niedobór wody, wysokie zasolenie czy obecność toksycznych metali – prawdopodobnie większość powierzchni (lub objętości, jeśli będziemy rozpatrywać również atmosferę, hydrosferę i głębiny skorupy Ziemskiej) posiada przynajmniej jedną cechę środowiska ekstremalnego. Właśnie dlatego ekstremofile – a w szczególności poliekstremofile – mogą stanowić najliczniejszą grupę organizmów żywych na Ziemi. Ponadto – jeśli spojrzymy na to pod kątem biologii ewolucyjnej i weźmiemy pod uwagę charakterystykę planety na różnych etapach jej rozwoju geologicznego – może się okazać, że ekstremofile zdominowały również historię ewolucyjna całego znanego nam świata żywego.

W ciągu ostatnich lat rozwój technik izolacji i hodowli mikroorganizmów pozwolił na zbadanie biochemii, biologii molekularnej i genetyki licznych gatunków ekstremofilnych. Badania te miały swój wpływ na rozwój pozostałych technik – możemy wspomnieć chociażby o zastosowaniu termostabilnej polimerazy Taq (pochodzącej z termofilnej bakterii Thermusaquaticus) w technice PCR (ang. polymerasechainreaction, reakcja łańcuchowa polimerazy). Pozwoliły one również zmienić nasze postrzeganie życia w ogólnym znaczeniu i coraz bardziej wierzyć w jego obecność na innych – na pierwszy rzut oka mniej przyjaznych – planetach.

Granice życia?

Nasza wiedza biologiczna opiera się na obserwacji mierzalnych zjawisk, które pozwalają nam na opisywanie świata. Analizowanie różnych organizmów i warunków ich bytowania pozwoliło potwierdzić, że życie wymaga trzech głównych elementów: (I) ciekłego rozpuszczalnika, który jest medium zachodzących reakcji chemicznych; (II) źródła energii napędzającego przemiany chemiczne i pozwalające na zachowaniu niestabilności termodynamicznej; (III) elementów budulcowych pełniących funkcje cegiełek konstruujących organizmy żywe od poziomu biochemicznego, aż po całą biosferę.

Chociaż niemalże nieograniczony dostęp do składników budulcowych – nieorganicznych związków mineralnych, węglowodorów, węgla w postaci tlenku węgla (IV) –nie wydaje się być czynnikiem limitującym występowanie życia, to dostęp do odpowiedniego rozpuszczalnika prawdopodobnie stanowi pierwsze ograniczenie. Na Ziemi tym rozpuszczalnikiem jest woda i to jej zasób determinuje granice biosfery (przestrzeni zajmowanej przez organizmy żywe). W ujęciu astrobiologicznym trwają intensywne badania nad innymi cieczami, które mogłyby pełnić funkcje rozpuszczalników. Wśród nich wyróżnia się przede wszystkim amoniak, kwas siarkowy i ciekłe węglowodory, jednak życie oparte na takich cieczach musiałoby znacznie różnić się od tego znanego nam z Ziemi (różnica ta byłaby dostrzegalna już na poziomie podstawowych cząsteczek budujących organizmy żywe i wiązań w nich występujących). Z tego powodu poszukując obcego życia w pierwszej kolejności oczy kierujemy ku planetom lub mniejszym ciałom niebieskim, na których potwierdzamy obecność wody w stanie ciekłej – niekoniecznie na powierzchni!

Życie potrzebuje również wspomnianego wcześniej źródła energii, które napędza reakcje chemiczne stojące u podstaw metabolizmu i struktury organizmów. Zjawiska redukcji i utleniania (redox) wydają się być uniwersalne – chociażby z tego względu, że mogą zachodzić spontanicznie i nie wymagają katalizy enzymatycznej. Ze zjawiskami redox mamy do czynienia już na poziomie najprostszych związków nieorganicznych. Wraz z gradientem protonowym, chemia redox prawdopodobnie stanowiła pierwsze składowe proto-życia. Z tego względu współczesna astrobiologia prócz wody, składników odżywczych poszukuje również pierwiastków (przede wszystkim metali bloku d układu okresowego), które mogą uczestniczyć w reakcjach redox nawet na etapach pre-biotycznych, a w tych post- będą stanowiły katalityczne elementy enzymów redox.

Między nami są kwasy, ale mamy też swoje zasady

W różnych ekosystemach Ziemi zaobserwowano skrajne – zarówno bardzo wysokie jak i bardzo niskie – wartości pH. Ekstremalne warunki pH wprawdzie zaobserwowano przede wszystkim dla środowiska skażonych odpadami antropogenicznymi – z tego powodu prawdopodobnie nie mogą być one rozpatrywane pod kątem ewolucji życia w skali globalnej – to jednak bardziej łagodne ekstrema są wszechobecne w środowiskach o różnej skali – zarówno całe jeziora jak i cienkie warstewki wody pokrywającej minerały mogą charakteryzować się podobnie wysokim jak i niskim pH. Obecnie najbardziej ekstremalnyacytodofil i alkalofil może przetrwać odpowiednio przy pH 0 i pH 12,5 (pH_opt 0,7 i 11). Udało się nawet wyizolować archeony zdolne do przetrwania w pH o wartościach ujemnych (Picrophilusoshimae i Picrophilustorridus, pH_min = –0,6), jednak z uwagi na trudności w badaniu archeonów nie udało się ustalić czy w takich warunkach organizmy te przechodzą w stan anabiozy (życia utajonego) czy też stale przeprowadzają podstawowe procesy metaboliczne.

Wartość pH ma znaczący wpływ na organizmy i ich zespoły zarówno w skali mikro (pojedyncze komórki) jak i makro (zespoły mikroorganizmów, biofilmy). Wszystkie organizmy muszą utrzymywać pH wewnątrzkomórkowe w granicach neutralnego – jedynie w takich warunkach możliwe jest utrzymanie stabilnych białek, kwasów nukleinowych i zachodzenie reakcji enzymatycznych. Cytoplazmatyczne pH bakterii acydofilnych osiąga wartości 6,0, natomiast dla organizmów alkalofilnych są to wartości 7,2-8,7. Homeostaza stężenia protonów (i innych jonów) poprzez aktywność transporterów – przede wszystkich zależnych od hydrolizy ATP – jest prawdopodobnie najbardziej pierwotnym modelem zachowywania stałości składu płynów wewnątrzkomórkowych. To właśnie zjawiska chemiosmotyczne są jedną ze wspólnych cech wszystkich organizmów żywych. Mikroorganizmy są również zdolne do kontroli pH poprzez usuwanie kwasowych metabolitów – np. kwasu mlekowego – poza komórkę. Innym mechanizmem pozwalający na kontrolę pH jest mechanizm metaboliczny, które pozwalają na wytwarzanie związków o charakterze silnych zasad Brønsteda – amoniaku i innych związków zasadowych – które po przyjęciu protonu ze środowiska wewnątrzkomórkowego przekształcają się w słabe kwasy o niskiej stałej dysocjacji.

Biała śmierć czy białe złoto?

Środowiska zasolone obejmują znaczne partie planety: (I) środowiska morskie (zasolenie 3-4%), (II) gorące źródła (do 10,5% zasolenia), (III) jeziora sodowe (do 37,1% zasolenia), a nawet inkluzje soli w porowatych skałach (do 49,7% zasolenia). Zasolenie jest determinowane przez wiele różnych jonów (Na⁺, Cl^­ , SO₄^2­ , Ca²⁺ i Mg²⁺) i przez tą różnorodność czynników sprawczych w różnorodny sposób wpływa na mikroorganizmy.

Zakres zasolenia i optymalny dla hodowanych i izolowanych mikroorganizmów wynosi od 0 do 35%. Aktualnym rekordzistą najwyższego zasolenia jest Halarsenatibactersilvermanii szczep SLAS-1^T, wyizolowany z alkalicznego solnego jeziora Searles (Kalifornia, Stany Zjednoczone) (optymalne zasolenie na poziomie 35% NaCl).

Halofile (organizmy bytujące w środowiskach o wysokim zasoleniu) stosują dwie główne strategie przetrwania: (I) akumulacja jonów będących czynnikami osmoaktywnymi w ich środowisku np. jonów K⁺, (II) zastąpienie jonów osmolitami – substancjami organicznymi o wysokim poziomie osmoaktywności, do których należą przede wszystkim poliaminy, cukry i pochodne aminokwasów. Pierwsza strategia została zidentyfikowana w jedynie kilku przypadkach (archeony Salinibacter i Halanaerobiales), których białka są stabilne wyłącznie w środowisku o wysokim stężeniu KCl – może być to wynikiem oddziaływania jonów z otoczką hydratacyjna białka, która w tym przypadku ulega destabilizacji i warunkuje przyjęcie przez białko specyficznej struktury przestrzennej.

Uff jak gorąco!

Temperatura na powierzchni Ziemi generalnie waha się od –98,6 (Antarktyda) do 495°C (gorące źródła dna oceanicznego). Temperatura jednak może przekraczać wartość nawet 1000°C, jednak mato miejsce jedynie lokalnie w trakcie wypływy magmy i na skutek krótkiego okresu nie ma większego znaczenia w modelowaniu przystosowań organizmów żywych. Obecna ekstremalna temperatura, jaką może przetrwać życie drobnoustrojów, rozciąga się od –25°C (Deinococcusgeothermalis DSM 11300) do 130°C (Geogemmabarossii szczep 121). Przy temperaturach poniżej –15°C komórki mikroorganizmów ulegają zeszkleniu, które nie jest wynikiem zamarzania wody wewnątrz nich, a zwiększenia koncentracji białek i innych substancji rozpuszczonych w cytozolu. Umożliwia to spowolnienie procesów metabolicznych i przetrwanie w tak niskich temperaturach. Oczywiście, w pewnych warunkach mikroorganizmy mogą być zamrażane do nawet –196°C (krioprezerwacja), jednak wiąże się to z całkowitym zatrzymaniem metabolizmu na czas mrożenia i nie może być rozpatrywane pod kątem przetrwania w środowisku.

Górna temperatura graniczna została w ciągu ostatniego wieku kilkanaście razy podnoszona, a obecne badania środowiskowe i teoretyczne sugerują, że górna granica życia może znajdować się w pobliżu 150°C, głównie ze względu na niestabilność polimerów organicznych powyżej tej temperatury. Podobne predykcje w drugą stronę zakładają, że poniżej –40°C (bez odpowiedniego laboratoryjnego przygotowania izolatu komórkowego) na zawsze ustają wszelkie procesy metaboliczne. Stąd też teoretyczne granice termiczne życia obecnie ustala się na –40 i 150°C. Przewidywania te są jednak ograniczone do znanych nam strategii przystosowawczych i środowisk ziemskich. Oznacza to, że odkrycie nieznanych wcześniej mechanizmów może po raz kolejny przesunąć granice życia.

Przystosowania do ekstremalnie niskich temperatur zazwyczaj wiążą się z poliekstremofilią – zdolnością do życia w warunkach ekstremalnych pod kątem dwóch lub większej liczby czynników. Dla psychrofili (organizmów bytujących w środowiskach zimnych) wynika to ze zdolności do wzrostu w wysokim stężeniu soli. Obecność w środowisku jonów i innych substancji osmoaktywnych obniża próg termiczny krzepnięcia wody i umożliwia utrzymanie jej w stanie ciekłym. Do szczególnie ciekawych organizmów należą psychrofile, które zdolne są do życia w cienkich warstwach wody pokrywających kryształy litego lodu lub w pęknięciach lodowców. Życie w niewielkich objętości rozpuszczalnika sprawia, że organizmy te wymagają sumarycznie mniejszej ilości związków osmoaktywnych. Znajduje to potwierdzenie w obserwacjach, że zdecydowana większość psychrofili jest związana z cząstkami organicznymi i nieorganicznymi, które w środowiskach morskich i oceanicznych uwalniają do otoczenia substancje rozpuszczalne – lokalnie zwiększając ich stężenie w cieczy – lub w warunkach o ograniczonym dostępie do wody stanowią absorbent dla tej cieczy. Na poziomie biochemicznym psychrofile charakteryzują się znacznie większą płynnością błon i dynamiką białek. Właściwości te sprawiają, że molekularne ruchy cząstek – które są niezbędne do kontaktu białek, odnajdywania substratów i motoryki komórek – ze sobą nie ustają przy niskich temperaturach. Ponadto – z uwagi na znaczne spowolnienie metabolizmu – organizmy te charakteryzują się nadekspresji enzymów i transporterów, których zwielokrotnienie pozwala sumarycznie uzyskać znacznie więcej metabolitów i produktów reakcji.

Termofile i hipertermofile charakteryzują się zupełnie odmiennym przystosowaniem – ich błony są bardziej stabilne niż błony organizmów mezo- i psychrofilnych. Jest to związane ze specyficzną budową lipidów, które nie tylko zawierają znacznie bardziej stabilne wiązania eterowe, ale także dłuższe i bardziej hydrofobowe łańcuchy alkilowe. Ponadto – białka termofili zawierają więcej połączeń wewnątrzłańcuchowych (poprzez mostki solne lub ugrupowania –SS–), które stabilizują strukturę przestrzenną polimeru. Ich komórki syntetyzują również mniej niestabilnych białek kompleksowych.

Promienny uśmiech

Naturalne źródła promieniowania wydzielają promieniowanie UV, promienie gamma i promieniowanie kosmiczne o mieszanej charakterystyce. Negatywny wpływ promieniowania na organizmy żywe wynika ze zdolności wysokoenergetycznych fal do jonizacji cząstek i rozrywania wiązań chemicznych. Powstałe w ten sposób rodniki w niekontrolowany sposób reagują z otaczającymi molekułami prowadząc do uszkodzeń błon, białek i genomów. Jednym z pierwszych wyizolowanych mikroorganizmów odpornych na promieniowanie był Deinococcusradiodurans, który został dobrze zbadany i uznany za organizm modelowy do zrozumienia tolerancji na promieniowanie.

Zastanawiać może przystosowanie wielu organizmów radiotolerancyjncyh do dawek, które nie występują na Ziemi w wyniku następstwa naturalnych procesów, a mogą być jedynie wywoływane poprzez sztuczną ingerencję człowieka i jego urządzenia. Okazuje się bowiem, że przystosowanie do wysokich dawek promieniowania jest wypadkową poliekstremofilii – zazwyczaj związaną z przystosowaniem do niskiej dostępności wody. Dla modelowego organizmu Deinococcusradioduran radiotolerancja wiąże się ze zwiększoną aktywnością systemów naprawczych DNA, kondensacja materiału genetycznego, zwielokrotnieniem genomu, grubymi osłonami komórkowymi, obecnością enzymów detoksykujących ROS (ang. reactiveoxygenspecies, reaktywne formy tlenu) i licznych przeciwutleniaczy nieenzymatycznych. Ponadto metabolizm białkowy tej bakterii jest nacechowany obecnością licznych systemów wykrywania i degradacji białek uszkodzonych, których gromadzenie się w komórce ma negatywny wpływ na globalny metabolizm. Rozwinięty system warunkujący ochronę komórki przed stresem oksydacyjnym wydaje się być cechą wspólną wszystkich organizmów radiotolerancyjnych.

Od Hadesa do Afrodyty

Czy analizy mikroorganizmów bytujących w środowiskach ekstremalnych i warunków fizykochemicznych tych środowisk znajduje zastosowanie w badaniach astrobiologicznych? W pierwszych latach poszukiwań egzoplanet naukowcy skupiali się na odnalezieniu bliźniaczek kopii Ziemi, jednak postępujące badania naszej własnej planety dowodzą, że powinniśmy patrzeć w niebo ze znacznie większym zakresem tolerancji. Zycie ziemskie pokazało nam, że granice jego bytowania są znacznie szersze niż myśleli badacze jeszcze w poprzednim wieku.

Różnorodność warunków w obrębie pojedynczej planety – (I) atmosfera, (II) powierzchnia, (III) podpowierzchnia – sprawia, że w skali znanej nam menażerii egzoplanet potencjalnych środowisk są setki. Z najbliższego nam wycinka Kosmosu możemy wyróżnić chociażby Europę, Ceres i Enceladusa, które mogą dysponować (w przypadku Europy jesteśmy tego niemal pewni) ciekłą wodą w podpowierzchniowych oceanach, a to i tak dotyczy życia wymodelowanego na wzór znanego nam ziemskiego metabolizmu. Rozszerzenie poszukiwań o alternatywne biochemie – które po ostatnich badaniach atmosfery Wenus stanowią jedna z najbardziej intensywnie rozwijających się gałęzi astrobiologii – pozwalają nam mieć nadzieję, że życie we wszechświecie jest równie powszechne co Ziemi.

Badanie organizmów ekstremofilnych, środowisk ich życia i porównywanie do znanych nam warunków na innych planetach dowodzą nie tylko, że romans Hadesa i Afrodyty jest możliwy, ale również stawiają nas na drodze do nieuniknionej odpowiedź na trzy kluczowe pytania – „Skąd przyszliśmy? Kim jesteśmy? Dokąd idziemy?”.

Autor: Adrian Macion
Ilustracja nagłówka: Andrey Savin

BIBLIOGRAFIA:

1. P. H. Rampelotto, Extremophiles and extreme environments, Life (Basel) 2013; 3(3): s. 482-485.
2. S. D’Amico; T. Collins; J. Marx; G. Feller; C. Gerday, Psychrophilic microorganisms: challenges for life, EMBO Rep. 2006; 7(4): s. 385-389.
3. X. Li; U. Kappler; G. Jiang; P. L. Bond, The Ecology of Acidophilic Microorganisms in the Corroding Concrete Sewer Environment, Front Microbiol. 2017; 8: s. 683.
4. C. Baker-Austin; M. Dopson, Life in acid: pH homeostasis in acidophiles, Trends Microbiol. 2007 Apr; 15(4): s. 165-71.
5. G. Feller, Psychrophilic enzymes: from folding to function and biotechnology, Scientifica (Cairo) 2013; 2013: 512840.
6. P. De Maayer; D. Anderson; C. Cary; D. A. Cowan, Some like it cold: understanding the survival strategies of psychrophiles, EMBO Rep. 2014; 15(5): s. 508-517.
7. E. Khalikova; S. Somersalo; T. Korpela, Metabolites Produced by Alkaliphiles with Potential Biotechnological Applications, Adv Biochem Eng Biotechnol. 2020; 172: s. 157-193.
8. A. Krisko; M. Radman, Biology of extreme radiation resistance: the way of Deinococcus radiodurans, Cold Spring Harb Perspect Biol. 2013; 5(7).
9. K. S. Makarova; L. Aravind; Y. I. Wolf; R. L. Tatusov; K. W. Minton;E. V. Koonin; M. J. Dally, Genome of the extremely radiation-resistant bacterium Deinococcus radiodurans viewed from the perspective of comparative genomics, Microbiol Mol Biol Rev. 2001; 65(1): s. 44-79.
10. T. Hashimoto; T. Kunieda, DNA Protection Protein, a Novel Mechanism of Radiation Tolerance: Lessons from Tardigrades, Life (Basel). 2017; 7(2): s. 26.
11. D. D. Des Marais; M. Walter, Astrobiology: exploring the origins, evolution, and distribution of life in the Universe, Annu Rev Ecol Syst. 1999; 30: s. 397-420.
12. J. E. Hallsworth; R. L. Mancinelli; C. A. Conley; T. D. Dallas; T. Rinaldi; A. F. Davila; K. C Benison; A. Rapoport; B. Cavalazzi; L. Selbmann; H. Changela; F. Westall; M. M. Yakimov; R. Amils; M. T. Madigan, Astrobiology of life on Earth, Environ Microbiol. 2021 Jul; 23(7): s. 3335-3344.

---

Adrian Macion: Magistrant kierunku Biologia (specjalizacja Biologia Molekularna) na Uniwersytecie Warszawskim. W latach 2019-2022 prezes Koła Naukowego Biologii Molekularnej. W latach 2021-2022 prezes Koła Naukowego Astrobiologii Voyager. Założyciel oraz redaktor naczelny Studenckiego Czasopisma Naukowego Eureka!. Brał udział w licznych kursach i wymianach studenckich organizowanych między innymi przez: Institut Pasteur w Paryżu, niemiecki Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Università degli Studi di Milano czy Univerzita Karlova w Pradze. Zaangażowany w działalność edukacyjną i popularyzację nauki. Fascynują go bakterie, jak również czynniki oraz molekularne mechanizmami ich patogenezy. Uwielbia opowiadać o białkach, komórkach i ulubionych historiach science fiction. W wolnych chwilach pisze książki, tatuuje się, maluje obrazy oraz marzy o badaniu życia na Marsie.