اکستریموفیل‌ها: انواع و کاربردهای آن

فهرست مطالب نمایش

مقدمه‌ای بر اکستریموفیل‌ها

حیات پروکاریوتی از ابتدای تکامل وجود داشته است. توانایی آن‌ها در سازگاری و جهش مطابق با نیازهای محیطی قابل ستایش است. برخی می‌توانند شرایط محیطی شدید را تحمل کنند در حالی که بیشتر آن‌ها برای رشد به این شرایط نیاز دارند. ترموفیل‌ها، اسیدوفیل‌ها و باروفیل‌ها برخی از اصطلاحاتی هستند که به ارگانیسم‌هایی اشاره دارد که محیط خشن را تحمل می‌کنند که در مجموع به آن‌ها اکستریموفیل می‌گویند.

بنابراین، اکستریموفیل‌ها در محیط‌های شدیدی که معمولاً برای زندگی مساعد نیستند، رشد می‌کنند. این محیط‌ها شامل دماهای شدید، سطوح pH بالا یا پایین، شوری بالا، فشار بالا و حتی سطوح تابش بالا می‌باشد. کشف موجودات اکستریموفیل‌، درک ما را از محدودیت‌های زندگی و شرایطی که تحت آن زندگی می‌تواند وجود داشته باشد، گسترش داده است.

اکستریموفیل‌ها به دلیل توانایی منحصر به فردشان در زمینه‌های مختلف کاربرد بالایی دارند. از تولید آنزیم گرفته تا مطالعات اختربیولوژیکی، کاربرد آن‌ها برای سودمندی زندگی انسان به طور قابل توجهی در حال افزایش است.

انواع مختلف اکستریموفیل‌ها

با توجه به توانایی آن‌ها برای تحمل و رشد در شرایط مختلف محیطی شدید، اکستریموفیل‌ها انواع مختلفی دارند، از جمله:

اسیدوفیل‌ها
ترموفیل‌ها
باروفیل‌ها
آلکالیفیل‌ها
سایکروفیل‌ها
هالوفیل‌ها
موجودات مقاوم در برابر امواج رادیو

ترموفیل‌ها

ترموفیل‌ها موجوداتی هستند که در دماهای بسیار بالا، یعنی بالای 60 درجه سانتیگراد (140 درجه فارنهایت) و تا حدود 122 درجه سانتیگراد (252 درجه فارنهایت) رشد می‌کنند. این‌ها در منافذ هیدروترمال، چشمه‌های آب گرم و مناطق زمین گرمایی وجود دارند. گازها، مواد معدنی و فلزات موجود در مناطق تنها منابع تغذیه برای ارگانیسم هستند.

Thermoplasma acidophilus، Bacillus stearothermophilus و Thermus aquaticus نمونه‌هایی از ترموفیل‌ها هستند. با این حال، ترموفیلی که می‌تواند در دمای 121.11 درجه سانتیگراد یا 250 درجه فارنهایت رشد کند Methanopyrus kandleri است.

ترموفیل‌ها انواع مختلفی دارند.

ساده
اکستریموفیل
هایپرترموفیل

ترموفیل‌های ساده دمای 50-64 درجه سانتیگراد یا 122-147.2 درجه فارنهایت را تحمل می‌کنند. اکستریموفیل‌ها برای زنده ماندن به دمای بالا، یعنی 65-79 درجه سانتیگراد یا 149-174.2 درجه فارنهایت، تحمل می‌کنند یا به آن نیاز دارند. هیپرترموفیل‌ها می‌توانند دمای بالای 80 درجه سانتیگراد یا 176 درجه فارنهایت را تحمل کنند اما نه کمتر از 50 درجه سانتیگراد.

سایکروفیل‌ها

سایکروفیل‌ها یا کرایوفیل‌ها موجوداتی هستند که به دمای انجماد نیاز دارند، یعنی 20- تا +20 درجه سانتیگراد. این موجودات دارای دمای بهینه رشد 15 درجه سانتیگراد یا پایین‌تر، با حداکثر دمای رشد در حدود 20 درجه سانتیگراد و حداقل دما در 0 درجه سانتیگراد یا کمتر هستند. این‌ها در مناطق قطبی، محیط‌های اعماق دریا و یخچال‌های طبیعی یافت می‌شوند. ویبریو مارینوس و وی سایکرواریتروس اولین سایکروفیل‌های واقعی هستند.

در این‌جا، Colwellia psychrerythraea جدا شده از رسوبات دریایی آرتیک، اولین ژنوم توالی‌یابی شده از سایکروفیل بود. باکتری همیشگی آرتیک، Planococcus halocryophilus، در کمترین دمای رشد یعنی 15- درجه سانتیگراد در 50 روز رشد می‌کند. سایکروفیل‌های واقعی که در دمای زیر انجماد رشد می‌کنند، زمان تولید طولانی‌تری دارند. پسیکروموناس اینگراهام پس از ده روز در دمای 12- درجه سانتیگراد رشد می‌کند و پسیکروباکتر آرکتیکوس در 10- درجه سانتیگراد پس از 39 روز از زمان تولید رشد می‌کند. تنها و اولین آرکئون جدا شده Methanogenium frigidum از دریاچه آس در قطب جنوب است.

اسیدوفیل‌ها

موجودات زنده می‌توانند در شرایط بسیار اسیدی، یعنی سطوح pH زیر 3 رشد کنند. این موجودات در زهکشی معدن اسیدی، چشمه‌های آتشفشانی و همچنین خاک‌های اسیدی رشد می‌کنند. اسیدوباکتریوم، پیکروفیلوس، فروپلاسما و لپتوسپیریلوم نیز در این مکان‌های اسیدی رشد می‌کنند.

Acidithiobacillus thiooxidans جدا شده از کمپوست خاک-سنگ-گوگرد اولین اسیدوفیل گزارش شده بود. بسیاری از اسیدوفیل‌ها به فلزات مقاوم هستند و می‌توانند ATP یا انرژی را از فلزاتی مانند آهن آهن تولید کنند.

بیشتر اسیدوفیل‌های افراطی متعلق به گروه آرکی‌ها، اسیدیانوس، متالوسفارا، پیروکوکوس، دسولفوروکوکوس، سولفوریسفارا، سولفولوبوس، پیکروفیلوس، استیژیولوبوس و ترموپلاسما هستند.

قلیایی دوست‌ها (آلکالیفیل‌ها)

ارگانیسم‌هایی که با محیط‌های بسیار قلیایی با pH بالای 9 سازگار می‌شوند‌، قلیایی دوست نامیده می‌شوند. این‌ها در دریاچه‌های سودا، دریاچه‌های قلیایی و جامدات قلیایی یافت می‌شوند.

میکروارگانیسم‌های قلیایی دوست هوازی شامل باسیلوس، میکروکوکوس، سودوموناس، استرپتومایسس، بوگوریلا، هالوموناس، آلکالیباسیلوس، مخمرها و قارچ‌های رشته‌ای جدا شده از محیط‌های مختلف می‌باشند.

Vagococcus، Marinobacter، Alkalimonas، Paenibacillus، Rhodobaca، Dietzia و Reseinatrobacter از دریاچه قلیایی لونار هند جدا شده‌اند. در حالی که اکتینومیست قلیایی، Bogoriella caseilytica از یک دریاچه سودا در آفریقا گزارش شده است. به همین ترتیب، Dietzia natronolimnaios از دریاچه سودای شرق آفریقا گزارش شده است.

ارگانیسم‌های دیگر شامل سیانوباکتری‌هایی مانند اسپیرولینا پلاتنسیس، اسپیرولینا ماکسیما، و گونه‌های کوروکوکوس و باکتری‌های فوتوتروف بدون اکسیژن مانند هالورودوسپیرا و اکتوتیورودوسپیرا هستند.

هالوفیل‌ها

ارگانیسم‌هایی که به محیط‌های شور (نمکی) بالا مانند دریاچه‌های نمک و نمکزارها نیاز دارند، هالوفیل نامیده می‌شوند. کلاس Haloarchaea و زیر شاخه Nanohaloarchaeota تنها آرکی‌هایی هستند که هالوفیلیسم را نشان می‌دهند. هالوفیل‌ها بر اساس نیاز خود سه دسته دارند. خفیف (0.34-0.85 M نمک)، متوسط (0.85-3.4M)، و هالوفیل شدید (3.4-5.1M نمک).

هالوفیل‌ها بر محیط‌های بیش از حد شور روی زمین دوام می‌آورند. یوباکتری‌ها عمدتاً در طبیعت هالوتولرانس هستند، به این معنی که این باکتری‌ها برای رشد به نمک متکی نیستند اما می‌توانند برخی از غلظت‌های نمک را تحمل کنند.

باروفیل‌ها

ارگانیسم‌هایی که می‌توانند در محیط‌های پرفشار سازگار شوند و رشد کنند، باروفیل‌ها یا پیزوفیل‌ها هستند. این‌ها در مناطقی مانند اعماق دریا که فشار آن چندین صد برابر بیشتر از سطح زمین است، یعنی بالای 380 اتمسفر یافت می‌شود. هالوفیل‌ها بدون فشار بالا نمی‌توانند زنده بمانند که به آن‌ها باروفیل اجباری نیز گفته می‌شود. هالوموناس سالاریا، پروتئوباکتری‌های گرم منفی، نمونه‌لی از هالوفیل‌های اجباری است که به فشار 1000 اتمسفر نیاز دارد.

باروفیل‌ها به اشعه ماوراء بنفش حساس هستند، به همین دلیل بسیاری از باروفیل‌ها در تاریکی رشد می‌کنند. نمونه‌های دیگر باروفیل‌ها عبارتند از زنوفیوفورها که در عمیق‌ترین گودال‌های اقیانوسی یافت می‌شوند.

ارگانیسم‌های مقاوم در برابر امواج رادیو

ارگانیسم‌هایی که قادر به رشد در سطوح تابش بالا هستند، مانند پرتوهای یونیزان، موجودات مقاوم در برابر رادیو نامیده می‌شوند. این‌ها در نزدیکی راکتورهای هسته‌ای و مکان‌های ذخیره زباله در محیط‌های رادیواکتیو رشد می‌کنند.

Deinococcus radiodurans یک گونه باکتریایی است که به سطوح تشعشع تا 1.5 ✕ 105 راد (راد = دوز جذب شده تابش) پرتوهای یونیزان حاد بسیار مقاوم است اما تنها 6000 راد در ساعت پرتوهای مزمن. این باکتری در مناطق آلوده به تشعشع مانند بیابان‌ها، اقیانوس‌ها و دریاها رشد می‌کند. این باکتری در برابر استرس هایپرتونیک، اکسیداسیون و همچنین خشک شدن بسیار مقاوم است.

علاوه بر گونه Deinococcus، گونه‌های Anabaena سیانوباکتریوم تثبیت کننده نیتروژن، Micrococcus، Bacillus و Actinobacteria باکتری‌های مقاوم در برابر رادیو شناخته شده‌اند.

پلی اکستریموفیل‌ها

ارگانیسم‌هایی که در بیش از یک وضعیت شدید رشد می‌کنند، پلی اکستریموفیل نامیده می‌شوند. به عنوان مثال، بیشتر باروفیل‌ها سایکروفیل‌ هستند، به عنوان مثال، به دمای پایین برای رشد و همچنین فشار بالا نیاز دارند.

به همین ترتیب، باکتری‌های مانند کلستریدیوم پارادوکسوم موجودات هالوآلکالی دوست نسبتا گرما دوست هستند. Deinococcus radiodurans مقاوم در برابر رادیو، اسیدوفیل و سایکروفیل است.

نقش اکستریموفیل‌ها در بهزیستی انسان

مطالعه اکستریموفیل‌ها در زمینه‌های مختلف مانند بیوتکنولوژی، علوم محیطی و اختربیولوژی قابل توجه است. مطالعۀ آن‌ها مطمئناً به ما در درک پتانسیل حیات در محیط‌های تنش‌زای مختلف روی زمین کمک کرده است. نقش افراد افراطی در رفاه انسان به شرح زیر است:

کشف دارو: کاربرد دارویی اکسترموفیل‌ها به ترکیبات منحصر به فردی که این موجودات برای زندگی در محیط‌های شدید تولید می‌کنند بستگی دارد. غربالگری و مطالعه ارزش‌های دارویی این ترکیبات به کشف داروهای جدید در انسان و همچنین در درمان دامپزشکی کمک می‌کند.
کاربردهای زیست محیطی: در چند سال گذشته تقاضا برای تمیز کردن زمین بدون هیچ گونه عواقبی به منابع طبیعی آن افزایش یافته است. آنزیم‌های تولید شده توسط اکسترموفیل‌ها به طور قابل توجهی در پاکسازی زیستی مفید هستند که محیط‌های آلوده را با استفاده از موجودات زنده تمیز می‌کند. برخی از اکسترموفیل‌ها نیز می‌توانند آلاینده‌های سمی مانند فلز را تجزیه کنند.
تولید آنزیم: اکستریموفیل‌ها همچنین برخی از آنزیم‌ها را تولید می‌کنند که می توانند در یک محیط شدید عمل کنند. اصطلاح دیگر این آنزیم‌ها Extremoenzymes هستند. این‌ها حتی در دماهای بالا، سطوح pH بالا و پایین بسیار پایدار و فعال هستند و در صنایع مفید هستند.
اختر زیست شناسی: مطالعه اکسترموفیل‌ها بینش‌هایی را در مورد محدودیت حیات بر روی زمین و وجود حیات در هر نقطه دیگری از جهان به دست داده است. تحقیقات بر روی اکسترموفیل‌ها مطمئناً با طراحی ابزاری که انرژی را تشخیص می‌دهد، جستجوی حیات فرازمینی را امکان پذیر می‌کند. این مطالعه همچنین به توسعه فناوری‌ها و استراتژی‌هایی برای اکتشاف و سکونت در فضا کمک خواهد کرد.
فرآیند صنعتی: آنزیم‌های تولید شده توسط اکسترموفیل‌ها در سوخت‌های زیستی مانند اتانول مفید هستند. اکستریموفیل‌ها همچنین در تولید منسوجات، مواد شیمیایی و مواد دیگر کاربرد دارند. این‌ها به دستیابی به جایگزین‌های پایدارتر و کارآمدتر برای روش‌های مرسوم کمک می‌کند.
کشاورزی و تولید مواد غذایی: یکی دیگر از بخش‌هایی که می‌توانند از اکستریموفیل‌ها بهره مند شد، کشاورزی و تولید مواد غذایی است. موضوع کاهش بهره وری کشاورزی به دلیل عوامل مختلف محیطی و انسانی و خطر امنیت غذایی در حال افزایش است. اکسترموفیل‌ها می‌توانند در ایجاد گونه‌های گیاهی مقاوم در برابر شرایط محیطی شدید مانند خشکسالی یا شوری کمک کنند.
کاربرد بیوتکنولوژیکی: کاربرد بیوتکنولوژیک اکسترموفیل‌ها شامل روش‌هایی مانند PCR، که در آن تکثیر DNA با استفاده از Taq پلیمراز از ترموفیل‌ها رخ می‌دهد، ارگانیسم‌های مورد استفاده در معدن تحت شرایط شدید، و تولید کاروتنوئیدها برای صنایع آرایشی و بهداشتی و غذایی است.