Extremophile: Erklkärung und Definition

Extremophile ist ein Begriff der sich auf Bakterien bezieht, die in extrem rauen Umgebungen existieren und gedeihen können, im Sinne von Umgebungen die klassischerweise als nicht geeignet für das Wachstum von Bakterien angesehen werden.

Einfluss von extremophilen Bakterien auf die Mikrobiologie

Die Entdeckung von Extremophilen, die in den 1970er Jahren begann, hatte drei große Einflüsse auf die Mikrobiologie und die Biotechnologieindustrie. Erstens die Entdeckung von Bakterien, die in Umgebungen wie den heißen Quellen des Yellowstone-Nationalparks und in der Nähe der hydrothermalen Quellen auf dem Meeresboden wachsen (wo die Bakterien tatsächlich die grundlegende Grundlage des spezialisierten Ökosystems sind, das von den Quellen angetrieben wird), hat das Bewusstsein für die Möglichkeiten bakteriellen Lebens auf der Erde und anderswo stark geschärft. Tatsächlich findet das Wachstum einiger Extremophiler in Umgebungen statt, die allem Anschein nach auf Planeten wie dem Mars und anderen Sternkörpern existieren könnten. Daher sind extremophile Bakterien möglicherweise nicht auf die Erde beschränkt.

Der zweite große Einfluss von Extremophilen war die Erweiterung der Klassifizierung der evolutionären Entwicklung des Lebens auf der Erde. Mit dem Aufkommen molekularer Mittel zum Vergleich der genetischen Sequenzen hochkonservierter Regionen verschiedener Lebensformen wurde klar, dass Extremophile nicht einfach Abkömmlinge von Bakterien waren, sondern sich schon früh in der Evolutionsgeschichte sowohl von Bakterien als auch von eukaryotischen Zellen abgespalten hatten. Extremophile Bakterien werden in einer Domäne namens Archaea zusammengefasst. Archaeen haben Ähnlichkeiten mit Bakterien und Eukaryoten.

Drittens erweisen sich Extremophile weiterhin als reiche Fundgrube an Enzymen, die in biotechnologischen Prozessen nützlich sind. Die Robustheit der Enzyme, wie ihre Fähigkeit die Funktion bei hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten, war entscheidend für die Entwicklung der Biotechnologie. Ein besonders bekanntes Beispiel ist das sogenannte Tag-Polymerase-Enzym, das aus dem extremophilen Thermus aquaticus isoliert wurde. Dieses Enzym ist grundlegend für die Verfahren der Polymerase-Kettenreaktion, die die Biotechnologie revolutioniert hat.

Thermophile Bakterien

Es gibt mehrere Umgebungen die für alle unwirtlich sind, außer für die extremophilen Bakterien die sich angepasst haben um in ihnen zu leben. Am besten untersucht sind Gebiete mit erhöhter Temperatur. Wärmeliebende Bakterien werden als Thermophile bezeichnet. Bisher wurden mehr als 50 Arten von Thermophilen entdeckt. Solche Bakterien tolerieren Temperaturen weit über den tolerierbaren Grenzen, die für jedes Tier, jede Pflanze oder andere Bakterien bekannt sind.

Einige Thermophile wie Sulfolobus acidocaldarius können bei Wassertemperaturen von über 100° C (dem Siedepunkt von Wasser auf Meereshöhe) wachsen und sich vermehren. Der bisher hitzetoleranteste Thermophile ist Pyrolobus fumarii, das in den Wänden der hydrothermalen Quellen wächst, wo die Temperaturen 93,33° C überschreiten. Tatsächlich benötigt das Bakterium eine Temperatur über 90° C um das Wachstum aufrechtzuerhalten. Die Grundlage für die Fähigkeit des Thermophilen, die Auflösung von Zellwandbestandteilen und genetischem Material bei solch hohen Temperaturen zu verhindern, ist unbekannt.

Andere Beispiele für extreme Umgebungen sind erhöhte Salzkonzentrationen, Druck und extreme Säure- oder Basenkonzentrationen.

Halophile Bakterien

Salzliebende oder halophile Bakterien wachsen in Umgebungen, in denen die Natriumkonzentration extrem hoch ist wie z.B. im Toten Meer oder im Großen Salzsee. In einer solchen Umgebung würde ein Bakterium wie Escherichia coli die Diskrepanz in der Natriumkonzentration zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Bakteriums ausgleichen, indem es die gesamte innere Flüssigkeit nach außen leitet. Das Ergebnis wäre der Zusammenbruch und Tod des Bakteriums. Allerdings enthalten salzliebende Bakterien wie Halobacterium salinarum die Natriumdiskrepanz, indem sie die interne Konzentration von Kaliumchlorid erhöhen.

Die Enzyme des Bakteriums arbeiten nur in Kaliumchlorid -reiche Umgebung. Die durch die Wirkung dieser Enzyme produzierten Proteine ​​müssen jedoch hohe Natriumchloridspiegel tolerieren. Wie die Enzyme beide Anforderungen erfüllen können ist nicht klar.

Säureliebende und alkaliliebende Extremophile

Säureliebende Extremophile bevorzugen Umgebungen, in denen der pH -Wert unter pH=5 liegt, während alkaliliebende Bakterien pH-Werte über pH=9 benötigen. Gedeihende Populationen säureliebender Bakterien wurden im Abfluss von sauren Minenabflüssen isoliert, wo der pH-Wert unter eins liegt, was saurer ist als der Mageninhalt. Interessanterweise ähneln diese Bakterien anderen Bakterien im nahezu neutralen pH-Wert ihres Inneren. Sehr saure pH-Werte würden das Erbgut irreversibel schädigen. Säureliebende Bakterien überleben also, indem sie aktiv Säure ausschließen. Die Enzyme die notwendig sind um diese Funktion bei sehr sauren pH-Werten zu erreichen.

In ähnlicher Weise halten alkaliliebende Bakterien einen nahezu neutralen inneren pH-Wert aufrecht. Die Enzyme, die bei solchen alkalischen Bedingungen funktionieren, sind für Hersteller von Waschmitteln von Interesse, die bei alkalischen pH-Werten besser funktionieren.

Einige Extremophile wachsen und gedeihen bei sehr niedrigen Temperaturen. Beispielsweise hat Polaromonas vacuolata eine ideale Wachstumstemperatur knapp über dem Gefrierpunkt von Wasser. Diese Bakterien finden kommerzielle Anwendungen in enzymatischen Prozessen, die bei Kühltemperaturen oder im Kältekreislauf einer Waschmaschine betrieben werden.

Fazit

Die Entdeckung von Bakterien in Umgebungen, die zuvor als völlig unwirtlich für bakterielles Leben vernachlässigt wurden spricht dafür, dass noch mehr Extremophile gefunden werden müssen, da andere Umgebungen erforscht werden. Beispielsweise wurden 2001 lebende Bakterien aus Bohrproben Kilometer unter der Erdkruste gewonnen, in einer Umgebung in der außer dem festen Gestein das die Bakterien umgibt, praktisch keine Nährstoffe vorhanden waren. Durch noch unbekannte enzymatische Mechanismen sind diese Bakterien in der Lage, elementare Bestandteile einschließlich Schwefel aus den Gesteinen zu extrahieren und als Nährstoffe zu verwerten.