Extremofilní organismy Extremofilní organismy a jejich sekundární a jejich sekundární

metabolitymetabolity

prof. RNDr. Jiří Patočka, DrSc.

prof.patocka@gmail.com

http://www.toxicology.cz

Základní pojmy

• Extremofilní organismus – prospívá v extremních podmínkách

• Extrémem se rozumí:

• Fyzikální faktory (tlak, teplota, radiace)

• Chemické faktory (salinita, vysychání, pH, redox. prostředí, vysoká koncentrace iontů)

• Biologické faktory (nutriční extrémy, populační hustota, parazitace)

Extremofilové

• Na Zemi žije řada organismů, které si v ničem nezadají s mimozemšťany v sci-fi. Tolerují prostředí pro ostatní tvory smrtelně nebezpečná. Žijí v roztocích jedovatých chemikálií, kyselin a hydroxidů, v jaderných reaktorech či enormních teplotách. Žijí na stejné planetě jako my a přesto jsou nám cizí, jako-by z jiného světa. Extremofilové, podobně jako jiné organismy, produkují sekundární metabolity - chemické substance rozličné struktury a rozličných biologických funkcí. Jsou tyto biochemikálie také extrémní?

Vysoké teploty• Většina proteinů denaturuje mezi 40-50 °C

• Pyrolobus fumari v sirných vývěrech černých komínů v hloubce 3650 m, 90 -113 °C

• Strain 121, hypertermofilní archebakterie (Pyrodictium)

• Nalezena v hydrotermálním průduchu Puget Sound, USA

• Žije při teplotě 121 °C

• Metabolismus založen na redukci oxidů železa

Hlubokomořské černé komíny

• Černý komín, černý kuřák (black smoker)

• Hydrotermální průduchy na mořském dně

• Voda bohatá na minerály

• Teplota až 400 °C

Černý kuřák v hloubce 2250 m. Tichý oceán, hřeben Juan de Fuca Ridge, západně od ostrova Vancouver

Život kolem černých kuřáků

• Rozvinutá společenstva v uzavřeném ekosystému

• Hloubka 2 – 5 km, obrovský tlak, vysoká teplota, žádné světlo, žádný kyslík

• Zelené sirné bakterie – fotosyntéza v naprosté tmě - jejich metabolismus je založen na síře

• Garnáti – krevety – krabi – červi – ryby

• Dnes je známo okolo 600 těchto organismů

Mnohoštětinatí červi rodu Alvinella

• Alvinella pompejana

vydrží 70-80 °C

• Pouštní mravenec Catyglyphis bicolor přežije 55 °C

Nízké teploty• Arktické ryby

• Chvostoskoci (Collembola) aktivní až do -10 °C

• Cryptoendolithotrophs – mikroorganismus z Antarktidy, aktivní do -15 °C

Huňatka Entomobrya nivalis

• Měří 1-2 mm, vyskytuje se v mechu a lišejnících nebo v lesním humusu.

• V zimním období ji často najdeme masově na sněhu v horských oblastech i na zahradě

Nejnižší teploty pro fotosyntézu

Prasiola crispa -20°C

Usiminy A - C

Nízké teploty snáší i lišejníky

Usiminy, sekundární metabolity antarktického lišejníku Stereocaulon alpinum. Jsou to inhibitory protein-tyrosin-fosfatázy 1B

Nejvyšší teploty pro fotosyntézu

Jednobuněčná řasa Cyanidium caldarium

Yellowstone (75 °C) Akumuluje Fe, Zn,

Cu, Ni a MnProdukuje vitamin K

(menachinon)

Nejvyšší úroveň radiace

• Člověk onemocní při ozáření dávkou 2 Gy, letální dávka 6-10 Gy

• Bakterie přežívají 60 Gy

• Členovci (švábi, štíři) 900 Gy

• Želvušky 5700 Gy

• Bakterie Deinococcus radiodurans 15 000 Gy, žije v blízkosti jaderných reaktorů

Želvušky• Želvušky (Tardigrada) je kmen živočichů

Kyselé prostředí• Acidofilní bakterie

• Lactobacillus, Thiobacillus

• Thermoplasma acidophilus – skládky hlušiny po těžbě uhlí s nízkým pH (0-1).

Kyselé prostředí

• Helicobacter pylori, gram-negativní bakterie, která u lidí kolonizuje žaludek

• Nakažena je téměř polovina světové populace

• Produkuje toxin známý jako VacA toxin (vakuolizující toxin)

• Jeden z faktorů podílejících se na vzniku rakoviny žaludku

Alkalické prostředí

• Streptomyces sp. AK 409 – alkalifilní mikromyceta

• Produkuje pyrocoll, antibiotikum a antiparasitikum s protinádorovým účinkem

N

N

O

O

Alkalické prostředí• Alkalifilní bakterie

• Natronobacterium pharaonis

• Bacillus alcalophilus

• Sinice (Spirulina, Microcystis, Plectonema)

• Sodné jezero Magadi v Keni (pH 10)

Koncentrované roztoky solí

• Halofilní organismy

• Dunaliella salina, jednobuněčná zelená řasa (30 % roztok soli)

Vysoký obsah karotenoidů, beta-karoten Akumuluje arsen

DAGAP

• Halofilní bakterie Rubrobacter xylanophilus, je rovněž radiorezistentní

• Produkuje di-N-acetylglucosamin-fosfát (DAGAP), sekundární metabolit

O

NH

O

NH

P

O

OO

OH

CH2OH

HOHO

CH3 O

CH3

O

CH2OH

OHOH

Vysoká salinita

• Žábronožky rodu Artemia

• Žábronožka slaništní

(A. salina)

• Sladká voda 7 ml O2/litr

• Mořská voda 4-6 ml O2/litr

• Mrtvé moře 0,8 ml O2/litr

• Krůček od anoxybiozy

Žábronožka slaništní

Anoxické podmínky

• Karas obecný (Carassius carassius)

• Přezimuje ve vodě anoxických tůní

Vysoké koncentrace těžkých kovů

• Archebakterie a protobakterie

• Ferroplasma acidophilum

• Ralstonia solanacearum

• Podílely se na vzniku rudných ložisek

Berkeley Pit Lake

Největší jedovaté jezero na světě (1,6 km, hloubka 270 m)

Pozůstatek měděného dolu (1955 až 1982)

Kyselá voda (pH = 2,5) s vysokým obsahem mědi (187 ppm), arsenu, kadmia a zinku

Kyselina berkelová, produkt plísně Penicillium sp., silné kancerostatikum

Závěr

• Životní podmínky, ve kterých žijí extremofilní organismy, se nám jeví jako absolutně nevyhovující pro cokoliv živého

• Život na Zemi vznikal v extrémních podmínkách

• Takové podmínky jako v ranných stádiích vývoje Země, panují i na většině těles Sluneční soustavy a patrně i jinde ve Vesmíru

• To vše podporuje ideu, že život existuje i jinde ve Vesmíru

Ještě jsme tam však nenašli cestu