Microbiologie: Canadian Edition
- Illustreer en beschrijf kort de minimale, optimale en maximale temperatuurvereisten voor groei
- Identificeer en beschrijf verschillende categorieën microben met temperatuurvereisten voor groei: psychrofiel, psychrotroof, mesofiel, thermofiel, hyperthermofiel
- Geef voorbeelden van micro-organismen in elke categorie van temperatuurtolerantie
Toen de exploratie van het Whillansmeer op Antarctica begon, verwachtten onderzoekers niet veel leven te vinden. Constante temperaturen onder nul en een gebrek aan duidelijke bronnen van voedingsstoffen leken geen omstandigheden te zijn die een bloeiend ecosysteem zouden ondersteunen. Tot hun verrassing vertoonden de uit het meer genomen monsters een overvloedig microbieel leven. In een andere, maar even barre omgeving groeien bacteriën en archaea op de bodem van de oceaan rond diepzeebronnen (Figuur 9.38), waar de temperatuur kan oplopen tot 340 °C (700 °F). Sommige van deze bacteriën en archaea zijn zelfs de primaire producenten van het ecosysteem van de boorgaten en leveren vaste koolstof voor de andere organismen.
In tegenstelling tot andere omgevingsfactoren, zoals pH of osmolariteit, kunnen microben hun temperatuur niet reguleren: hun interne temperatuur komt overeen met die van hun omgeving. Veranderingen in temperatuur hebben het grootste effect op enzymen en hun activiteit, met een optimale temperatuur die leidt tot het snelste metabolisme en de daaruit voortvloeiende groeisnelheid. Temperaturen onder het optimum leiden tot een afname van de enzymactiviteit en een trager metabolisme, terwijl hogere temperaturen eiwitten zoals enzymen en dragereiwitten juist kunnen denatureren, wat tot celdood leidt. Bijgevolg hebben microben een groeicurve in verhouding tot de temperatuur, met een optimale temperatuur waarbij de groeisnelheid een piek bereikt, en minimum- en maximumtemperaturen waarbij de groei wel doorgaat maar niet zo robuust is. Voor een bacterie ligt het groeibereik meestal rond 30 graden (figuur 9.39).
De opwaartse trend van de groeisnelheid tussen psychrofielen en hyperthermofielen wordt toegeschreven aan het verband tussen thermische energie en de snelheid van chemische reacties en wordt het “Arrhenius-effect” genoemd. Dit is een verwijzing naar de Arrhenius-vergelijking die de relatie tussen temperatuur en de snelheid van een chemische reactie beschrijft.
Mesofielen
Organismen die worden gecategoriseerd als mesofielen (“middenminnende”) zijn aangepast aan gematigde temperaturen, met optimale groeitemperaturen variërend van kamertemperatuur (ongeveer 20 °C) tot ongeveer 45 °C. Zoals kan worden verwacht op basis van de kerntemperatuur van het menselijk lichaam, 37 °C, zijn normale menselijke microbiota en ziekteverwekkers (bv. E. coli, Salmonella spp. en Lactobacillus spp.) mesofielen. De mesofielen bevinden zich in dezelfde omgeving als de mens, namelijk het voedsel dat we eten, de oppervlakken die we aanraken en het water waarin we zwemmen en drinken.
Psychofielen
De psychofielen zijn de koukleumen, met een optimum van 15oC of lager en een groeibereik van -20oC tot 20oC. De meeste van deze microben worden aangetroffen in de oceanen, waar de temperatuur vaak 5oC of kouder is. Zij worden ook aangetroffen op de Noordpool en de Zuidpool, waar zij in het ijs leven op plaatsen waar zich een zak vloeibaar water bevindt. De organismen die uit arctische meren zoals het Whillansmeer worden gehaald, worden als extreme psychrofielen beschouwd. De aanpassing aan de koude vereiste de evolutie van specifieke eiwitten, met name enzymen, die bij lage temperaturen nog kunnen functioneren. Deze enzymen zijn flexibeler dan hun mesofiele en thermofiele homologen en zij hebben meer toegankelijke katalytische sites om tragere diffusiesnelheden mogelijk te maken. Deze grotere flexibiliteit gaat gepaard met een prijs, aangezien psychrofiele eiwitten snel denatureren boven hun optimale temperatuur. Aanpassing aan groei bij lagere temperaturen vereiste ook een aanpassing van het plasmamembraan om het halfvloeibaar te houden. Psychrofielen hebben een verhoogd gehalte aan onverzadigde vetzuren en vetzuren met kortere ketens. Tenslotte produceren psychrotofielen cryoprotectanten: speciale proteïnen of suikers die de ontwikkeling van schadelijke ijskristallen verhinderen. Psychrotofielen of koudetolerante microben hebben een bereik van 0-35oC, met een optimum van 16oC of hoger. Ze komen in veel natuurlijke omgevingen in gematigde klimaten voor en zijn verantwoordelijk voor het bederf van gekoelde levensmiddelen. Een voorbeeld is de menselijke ziekteverwekker Listeria monocytogenes. Listeria monocytogenes groeit in de ingewanden van runderen en kan rundvlees, melk en gewassen besmetten, maar in tegenstelling tot typische mesofiele menselijke ziekteverwekkers, groeit Listeria monocytogenes bij gekoelde temperaturen. Door voedsel overgedragen infecties zijn het gevolg van de consumptie van kant-en-klaar voedsel, zoals sla, ongepasteuriseerde kazen en vleeswaren. Omdat ze actief zijn bij lage temperatuur, zijn psychrofielen en psychrotrofen belangrijke afbrekers in koude klimaten. en hun enzymen zijn interessant voor de biotechnologie.
KLINISCHE FOCUS: Oplossing
De aanwezigheid van Listeria in het bloed van Jeni suggereert dat haar symptomen te wijten zijn aan listeriose, een infectie veroorzaakt door L. monocytogenes. Listeriose is een ernstige infectie met een sterftecijfer van 20% en vormt een bijzonder risico voor Jeni’s foetus. Een monster van het vruchtwater dat werd gekweekt op de aanwezigheid van Listeria leverde negatieve resultaten op. Omdat de afwezigheid van organismen de mogelijkheid van infectie niet uitsluit, werd een moleculaire test op basis van de nucleïnezuuramplificatie van het 16S ribosomaal RNA van Listeria uitgevoerd om te bevestigen dat geen bacteriën de placenta waren gepasseerd. Gelukkig waren ook de resultaten van de moleculaire test negatief.
Jeni werd opgenomen in het ziekenhuis voor behandeling en herstel. Zij kreeg gedurende 2 weken een hoge dosis van twee antibiotica intraveneus toegediend. De voorkeursmedicijnen voor de behandeling van listeriose zijn ampicilline of penicilline G met een aminoglycoside-antibioticum. Resistentie tegen gewone antibiotica is bij Listeria nog zeldzaam en een antibioticumbehandeling is meestal succesvol. Ze werd na een week vrijgegeven voor thuiszorg en herstelde volledig van haar infectie.
L. monocytogenes is een grampositieve korte staaf die wordt aangetroffen in grond, water en voedsel. Het wordt geclassificeerd als een psychrotrofe bacterie en is ook halotolerant. Door zijn vermogen zich te vermenigvuldigen bij koeltemperaturen (4-10 °C) en zijn tolerantie voor hoge zoutconcentraties (tot 10% natriumchloride) is het een frequente bron van voedselvergiftiging. Omdat Listeria dieren kan besmetten, besmet het vaak levensmiddelen zoals vlees, vis of zuivelproducten. Besmetting van commercieel voedsel kan vaak worden herleid tot hardnekkige biofilms die zich vormen op productieapparatuur die niet voldoende wordt gereinigd.
Listeria-infectie komt relatief vaak voor bij zwangere vrouwen omdat de verhoogde niveaus van progesteron het immuunsysteem down-reguleren, waardoor ze kwetsbaarder zijn voor infectie. De ziekteverwekker kan de placenta passeren en de foetus infecteren, wat vaak leidt tot een miskraam, doodgeboorte of een fatale neonatale infectie. Zwangere vrouwen wordt daarom geadviseerd de consumptie van zachte kazen, gekoelde vleeswaren, gerookte zeevruchten en ongepasteuriseerde zuivelproducten te vermijden. Omdat Listeria-bacteriën gemakkelijk kunnen worden verward met difteroïden, een andere veel voorkomende groep grampositieve staafjes, is het belangrijk om het laboratorium te waarschuwen wanneer listeriose wordt vermoed.
Ga terug naar het vorige kader van Clinical Focus.
Thermofielen en Hyperthermofielen
Organismen die groeien bij optimale temperaturen van 50 °C tot maximaal 80 °C worden thermofielen (“warmteminnende” organismen) genoemd. Zij vermenigvuldigen zich niet bij kamertemperatuur. Thermofielen zijn wijdverspreid in warmwaterbronnen, geothermische bodems en door de mens gecreëerde omgevingen zoals composthopen in tuinen, waar de microben organisch afval afbreken. Voorbeelden van thermofielen zijn Thermus aquaticus en Geobacillus spp. Hoger op de schaal van extreme temperaturen vinden we de hyperthermofielen, die worden gekenmerkt door een groeibereik van 80 °C tot maximaal 110 °C, met enkele extreme voorbeelden die temperaturen van meer dan 121 °C, de gemiddelde temperatuur van een autoclaaf, kunnen overleven. De hydrothermale luchtopeningen op de bodem van de oceaan zijn een uitstekend voorbeeld van extreme omgevingen, waar de temperatuur kan oplopen tot naar schatting 340 °C (figuur 9.38). Microben die uit deze bronnen zijn geïsoleerd, kunnen optimaal groeien bij temperaturen van meer dan 100 °C. Opmerkelijke voorbeelden zijn Pyrobolus en Pyrodictium, archaea die groeien bij 105 °C en autoclaveren overleven. Zowel de thermofielen als de hyperthermofielen hebben gespecialiseerde hittestabiele enzymen nodig die bestand zijn tegen denaturatie en ontvouwing. In tegenstelling tot hun psychrofiele homologen zijn ze nauwer gevouwen, waardoor ze minder flexibel zijn met een minder toegankelijke katalytische site. Bovendien brengen deze organismen beschermende chaperon-eiwitten tot expressie om te helpen bij de eiwitvouwing en om hun oorspronkelijke structuur te behouden. De enzymen van deze organismen zijn ook van belang voor de biotechnologie. Het was de ontdekking van Thermus aquaticus die de biochemicus Kary Mullis ertoe bracht de revolutionaire techniek van de PCR (Polymerase Chain Reaction) uit te vinden, waarbij gebruik wordt gemaakt van het warmte-actieve DNA-polymerase van dit organisme (het Taq-polymerase). Deze techniek wordt in alle takken van de biologie gebruikt en heeft, in combinatie met de vooruitgang op het gebied van sequentiebepaling en de ontwikkeling van metagenomica, een revolutie teweeggebracht op het gebied van de microbiologie. Dr. Mullis kreeg in 1993 de Nobelprijs voor scheikunde.
Aanpassing aan hogere groeitemperaturen vereiste ook aanpassingen om de halfvloeibare consistentie van het plasmamembraan te handhaven. De membraanlipiden van deze organismen bevatten een hoog gehalte aan verzadigde vetzuren. Door hun lineaire structuur sluiten verzadigde lipiden beter op elkaar aan, waardoor het membraan beter georganiseerd is en de smelttemperatuur hoger is. Bovendien is de etherbinding van de thermofiele en hyperthermofiele archaea thermostabieler dan de esterbinding van fosfolipiden. De hoge thermische stabiliteit van de hyperthermofiele archaea membranen is ook te danken aan hun tetraether monolaag structuur, aangezien de binnenste en buitenste lagen van een membraan bilaag zich onder zeer hoge temperaturen zullen scheiden.
Aanpassing aan temperatuurschommelingen
Het vermogen zich aan te passen aan temperatuurschommelingen stelt organismen in staat te overleven, zo niet te groeien, bij temperaturen op of nabij de minima en maxima. De meeste organismen kunnen de soorten lipiden die zij synthetiseren veranderen als reactie op dergelijke schommelingen. Bovendien zijn de inductie van heat shock- of cold shock-eiwitten globale stressreacties waarbij chaperon-eiwitten tot expressie komen die kunnen helpen ongevouwen eiwitten te vouwen of die beschermende omhulsels rond eiwitten kunnen vormen om hun denaturatie te voorkomen. Het is echter belangrijk te onthouden dat dit vermogen de optimale groeitemperatuur van het organisme niet verandert: dus het feit dat E. coli kan overleven in een ondergare hamburger maakt het nog geen thermofiel of hyperthermofiel!
Praktische toepassingen
Enkele van de praktische toepassingen van de destructieve effecten van warmte op microben zijn sterilisatie met stoom, pasteurisatie, en verbranding van inoculatielussen. Terwijl koelen en vriezen worden gebruikt voor het conserveren van voedsel, wordt vriezen bij 80 °C, of zelfs nog lager met vloeibare stikstof, gebruikt voor het langdurig conserveren van bacterie- en archaeaiculturen. De schadelijke effecten van ijskristalvorming kunnen worden vermeden door vloeibare celsuspensies te mengen met steriele oplossingen van het cryoprotectant glycerol. Culturen zijn bestand tegen vriesdrogen (lyofilisatie) en kunnen vervolgens als poeders in verzegelde ampullen worden opgeslagen om zo nodig te worden gereconstitueerd met bouillon.
Het leven in extreme omgevingen werpt fascinerende vragen op over de aanpassing van macromoleculen en stofwisselingsprocessen. Astrobiologie is een betrekkelijk nieuwe discipline die multidisciplinair onderzoek omvat naar de oorsprong, evolutie en verspreiding van leven in het heelal. Studies van de psychrofielen en (hyper)thermofielen kunnen ons inzicht verschaffen in de evolutie van het leven op aarde (en mogelijk elders) tijdens de warmere dagen van de jonge planeet, en het mogelijke bestaan van leven in de over het algemeen koudere omgevingen in de ruimte, en in het bijzonder op Mars.
Bezoek de NASA-website over astrobiologie om meer te weten te komen over deze discipline, en leer hoe studies van extremofiele cyanobacteriën informatie kunnen verschaffen over de mogelijkheid van microbieel leven op Mars
- Welke temperatuurvereisten stellen de meeste bacteriële menselijke pathogenen?
- Welke DNA-aanpassing vertonen thermofielen?
- Micro-organismen gedijen bij uiteenlopende temperaturen; ze hebben verschillende natuurlijke omgevingen gekoloniseerd en hebben zich aan extreme temperaturen aangepast. Zowel extreem koude als extreem warme temperaturen vereisen evolutionaire aanpassingen van macromoleculen en biologische processen.
- Psychrofielen groeien het best in het temperatuurbereik van 0-15 °C, terwijl psychrotrofen gedijen tussen 4 °C en 25 °C.
- Mesofielen groeien het best bij gematigde temperaturen in het bereik van 20 °C tot ongeveer 45 °C. Ziekteverwekkers zijn meestal mesofielen.
- Thermofielen en hyperthemofielen zijn aangepast aan een leven bij temperaturen boven 50 °C.
- Aanpassingen aan koude en warme temperaturen vereisen veranderingen in de samenstelling van membraanlipiden en eiwitten.
Meerkeuze
Drag and Drop
Kort antwoord
- Hoe zijn de eiwitten van hyperthermofielen aangepast aan de hoge temperaturen van hun omgeving?
- Waarom zou NASA microbiologisch onderzoek op Antarctica financieren?
Kritisch denken
- De bacterie die de ziekte van Hansen (lepra) veroorzaakt, Mycobacterium leprae, infecteert vooral de extremiteiten van het lichaam: handen, voeten, en neus. Kun je een beredeneerde schatting maken van zijn optimale groeitemperatuur?
- Refereer naar figuur 9.39. Sommige hyperthermofielen kunnen temperaturen van autoclaveren overleven. Zijn zij een probleem voor de gezondheidszorg?