Mikrobiologia: Canadian Edition
- Ilustruj i krótko opisz minimalne, optymalne i maksymalne wymagania temperaturowe dla wzrostu
- Zidentyfikuj i opisz różne kategorie mikrobów z wymaganiami temperaturowymi dla wzrostu: psychrofile, psychrotrofy, mezofile, termofile, hipertermofile
- Podaj przykłady mikroorganizmów w każdej kategorii tolerancji temperatury
Kiedy na Antarktydzie rozpoczęto eksplorację Jeziora Whillans, badacze nie spodziewali się znaleźć wiele życia. Stałe temperatury poniżej zera i brak oczywistych źródeł składników odżywczych nie wydawały się być warunkami, które mogłyby wspierać dobrze prosperujący ekosystem. Ku ich zaskoczeniu, próbki pobrane z jeziora wykazały obfite życie mikrobiologiczne. W innym, ale równie surowym środowisku, bakterie i archaea rosną na dnie oceanu wokół głębokich otworów wentylacyjnych (rysunek 9.38), gdzie temperatury mogą osiągać 340°C (700°F). W rzeczywistości niektóre z tych bakterii i archaea są głównymi producentami ekosystemu ujścia wodnego, dostarczając węgla stałego dla innych organizmów.
W przeciwieństwie do innych warunków środowiskowych, takich jak pH czy osmolarność, mikroby nie mają możliwości regulowania swojej temperatury: ich wewnętrzna temperatura odpowiada temperaturze środowiska. Zmiany temperatury mają największy wpływ na enzymy i ich aktywność, z optymalną temperaturą, która prowadzi do najszybszego metabolizmu i wynikającego z niego tempa wzrostu. Temperatury poniżej optymalnej prowadzą do spadku aktywności enzymów i spowolnienia metabolizmu, podczas gdy wyższe temperatury mogą denaturować białka, takie jak enzymy i białka nośnikowe, prowadząc do śmierci komórki. W rezultacie, mikroby mają krzywą wzrostu w odniesieniu do temperatury z optymalną temperaturą, w której tempo wzrostu osiąga szczyt, jak również minimalne i maksymalne temperatury, w których wzrost jest kontynuowany, ale nie jest tak silny. Dla bakterii zakres wzrostu wynosi zwykle około 30 stopni (Rysunek 9.39).
Tendencja wzrostowa tempa wzrostu pomiędzy psychrofilami i hipertermofilami jest przypisywana zależności pomiędzy energią cieplną a tempem reakcji chemicznych i została określona jako „efekt Arrheniusa”. Jest to odniesienie do równania Arrheniusa, które opisuje zależność pomiędzy temperaturą a szybkością reakcji chemicznej.
Mezofile
Organizmy skategoryzowane jako mezofile („średnio kochające”) są przystosowane do umiarkowanych temperatur, z optymalnymi temperaturami wzrostu w zakresie od temperatury pokojowej (około 20 °C) do około 45 °C. Jak można się spodziewać na podstawie temperatury rdzenia ludzkiego ciała, 37 °C (98,6 °F), normalna ludzka mikrobiota i patogeny (np. E. coli, Salmonella spp. i Lactobacillus spp.) są mezofilami. Mezofile zajmują te same środowiska, w których żyją ludzie, w odniesieniu do żywności, którą spożywamy, powierzchni, których dotykamy i wody, w której pływamy i którą pijemy.
Psychrofile
Psychrofile są miłośnikami zimna, z optimum 15oC lub niższym i zakresem wzrostu od -20oC do 20oC. Większość z tych mikrobów znajduje się w oceanach, gdzie temperatura jest często 5oC lub niższa. Można je również znaleźć w Arktyce i Antarktyce, żyją w lodzie wszędzie tam, gdzie mogą znaleźć kieszenie ciekłej wody. Organizmy wydobyte z arktycznych jezior, takich jak Jezioro Whillans, uważane są za ekstremalnych psychrofilów. Adaptacja do zimna wymagała ewolucji specyficznych białek, szczególnie enzymów, które mogą nadal funkcjonować w niskich temperaturach. Enzymy te są bardziej elastyczne niż ich mezofilne i termofilne homologi i mają bardziej dostępne miejsca katalityczne, aby dostosować się do wolniejszego tempa dyfuzji. Ten wzrost elastyczności ma swoją cenę, ponieważ białka psychrofilne szybko ulegają denaturacji powyżej optymalnej dla nich temperatury. Adaptacja do wzrostu w niższych temperaturach wymagała również modyfikacji błony plazmatycznej, aby utrzymać ją w stanie półpłynnym. Psychrofile mają zwiększoną ilość nienasyconych i krótszych łańcuchów kwasów tłuszczowych. Wreszcie, psychrofile wytwarzają krioprotektanty: specjalne białka lub cukry, które zapobiegają rozwojowi szkodliwych kryształków lodu. Psychrotrofy lub mikroorganizmy tolerujące zimno mają zakres temperatur 0-35oC, z optimum 16oC lub wyższym. Występują one w wielu środowiskach naturalnych w klimacie umiarkowanym i są odpowiedzialne za psucie się żywności przechowywanej w lodówce. Przykładem jest ludzki patogen Listeria monocytogenes. Rozwija się on we wnętrznościach bydła, może zanieczyszczać wołowinę, mleko i uprawy, ale w przeciwieństwie do typowych mezofilnych patogenów ludzkich, rozwija się w temperaturach chłodniczych. Infekcje przenoszone przez żywność wynikają ze spożywania gotowych do spożycia produktów, w tym sałaty, niepasteryzowanych serów i wędlin. Ponieważ są one aktywne w niskiej temperaturze, psychrofile i psychrotrofy są ważnymi rozkładowcami w zimnym klimacie. a ich enzymy są przedmiotem zainteresowania biotechnologii.
FOCUS KLINICZNY: Rozwiązanie
Obecność Listerii we krwi Jeni sugeruje, że jej objawy są spowodowane listeriozą, zakażeniem wywołanym przez L. monocytogenes. Listerioza jest poważną infekcją o 20% śmiertelności i stanowi szczególne zagrożenie dla płodu Jeni. Próbka płynu owodniowego pobrana na posiew na obecność Listerii dała wynik negatywny. Ponieważ nieobecność organizmów nie wyklucza możliwości zakażenia, wykonano test molekularny oparty na amplifikacji kwasu nukleinowego 16S rybosomalnego RNA Listerii, aby potwierdzić, że żadna bakteria nie przedostała się przez łożysko. Na szczęście wyniki testu molekularnego były również negatywne.
Jeni została przyjęta do szpitala na leczenie i rekonwalescencję. Otrzymała wysoką dawkę dwóch antybiotyków dożylnie przez 2 tygodnie. Preferowanymi lekami w leczeniu listeriozy są ampicylina lub penicylina G z antybiotykiem aminoglikozydowym. Oporność na powszechnie stosowane antybiotyki jest nadal rzadka u Listeria i leczenie antybiotykami jest zazwyczaj skuteczne. Pacjentka została zwolniona do domu po tygodniu i w pełni wyleczyła się z infekcji.
L. monocytogenes jest Gram-dodatnim, krótkim prętem występującym w glebie, wodzie i żywności. Jest sklasyfikowany jako psychrotrof i jest również halotolerancyjny. Jego zdolność do namnażania się w temperaturach chłodniczych (4-10 °C) i tolerancja na wysokie stężenia soli (do 10% chlorku sodu) sprawiają, że jest on częstym źródłem zatruć pokarmowych. Ponieważ Listeria może zakażać zwierzęta, często zanieczyszcza żywność, taką jak mięso, ryby lub produkty mleczne. Skażenie żywności komercyjnej może być często związane z trwałymi biofilmami, które tworzą się na urządzeniach produkcyjnych, które nie są wystarczająco czyszczone.
Zakażenie Listerią jest stosunkowo powszechne wśród kobiet w ciąży, ponieważ podwyższony poziom progesteronu obniża regulację układu odpornościowego, czyniąc je bardziej podatnymi na zakażenie. Patogen może przeniknąć przez łożysko i zainfekować płód, często powodując poronienie, urodzenie martwego dziecka lub śmiertelne zakażenie noworodka. Dlatego kobietom w ciąży zaleca się unikanie spożywania miękkich serów, chłodzonych wędlin, wędzonych owoców morza oraz niepasteryzowanych produktów mlecznych. Ponieważ bakterie Listeria mogą być łatwo pomylone z błonkoskórnikami, inną powszechnie występującą grupą pałeczek Gram-dodatnich, ważne jest, aby w przypadku podejrzenia listeriozy powiadomić laboratorium.
Powróć do poprzedniej ramki Clinical Focus.
Termofile i hipertermofile
Organizmy, które rosną w optymalnych temperaturach od 50°C do maksymalnie 80°C nazywane są termofilami („ciepłolubne”). Nie rozmnażają się one w temperaturze pokojowej. Termofile są szeroko rozpowszechnione w gorących źródłach, glebach geotermalnych i środowiskach stworzonych przez człowieka, takich jak ogrodowe stosy kompostowe, gdzie mikroby rozkładają odpady organiczne. Przykładami termofilów są Thermus aquaticus i Geobacillus spp. Wyżej na skali temperatur ekstremalnych znajdują się hipertermofile, które charakteryzują się zakresem wzrostu od 80 °C do maksymalnie 110 °C, z kilkoma ekstremalnymi przykładami przetrwania w temperaturach powyżej 121 °C, co odpowiada średniej temperaturze autoklawu. Doskonałym przykładem środowisk ekstremalnych są kominy hydrotermalne na dnie oceanu, w których temperatury sięgają około 340 °C (Rysunek 9.38). Mikroby wyizolowane z kominów osiągają optymalny wzrost w temperaturach wyższych niż 100 °C. Godnymi uwagi przykładami są Pyrobolus i Pyrodictium, archaea rosnące w temperaturze 105 °C i mogące przetrwać sterylizację w autoklawie. Zarówno termofile, jak i hipertermofile wymagają wyspecjalizowanych, odpornych na denaturację i rozkład enzymów. W przeciwieństwie do ich psychrofilnych homologów, są one ciaśniej sfałdowane, co czyni je mniej elastycznymi, z mniej dostępnym miejscem katalitycznym. Ponadto, organizmy te wykazują ekspresję ochronnych białek przyzwoitkowych, które pomagają w składaniu białek i utrzymaniu ich natywnej struktury. Enzymy tych organizmów są również interesujące dla biotechnologii. To właśnie odkrycie Thermus aquaticus doprowadziło biochemika Kary’ego Mullisa do wynalezienia rewolucyjnej techniki PCR (Polymerase Chain Reaction), wykorzystującej termoaktywną polimerazę DNA tego organizmu (polimerazę Taq). Technika ta jest stosowana w każdej dziedzinie biologii, a w połączeniu z postępem sekwencjonowania i rozwojem metagenomiki zrewolucjonizowała dziedzinę mikrobiologii. Dr Mullis otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1993 roku.
Adaptacja do wyższych temperatur wzrostu wymagała również przystosowania do utrzymania półpłynnej konsystencji błony plazmatycznej. Lipidy błonowe tych organizmów zawierają dużą ilość nasyconych kwasów tłuszczowych. Ze względu na swoją liniową strukturę, lipidy nasycone upakowują się ciaśniej, dając bardziej zorganizowaną błonę i zwiększając jej temperaturę topnienia. Ponadto, wiązania eterowe termofilnych i hipertermofilnych archaidów są bardziej termostabilne niż wiązania estrowe fosfolipidów. Wysoka stabilność termiczna błon archeonów hipertermofilnych wynika również z ich monowarstwowej struktury tetraeterowej, ponieważ wewnętrzne i zewnętrzne warstwy dwuwarstwy błonowej rozdzielają się w bardzo wysokich temperaturach.
Adaptacja do wahań temperatury
Zdolność adaptacji do wahań temperatury pozwala organizmom przetrwać, jeśli nie rosnąć, w temperaturach bliskich minimom i maksimom. Większość organizmów może zmieniać rodzaje lipidów, które syntetyzują w odpowiedzi na takie wahania. Ponadto, indukcja białek szoku cieplnego lub szoku zimna to globalne reakcje na stres, które obejmują ekspresję białek chaperonowych, które mogą pomóc w składaniu rozłożonych białek lub mogą tworzyć powłoki ochronne wokół białek, aby zapobiec ich denaturacji. Ważne jest jednak, aby pamiętać, że ta zdolność nie zmienia optymalnej temperatury wzrostu organizmu: tak więc fakt, że E. coli może przetrwać w niedogotowanym hamburgerze nie czyni z niej termofila lub hipertermofila!
Praktyczne zastosowania
Niektóre z praktycznych zastosowań niszczącego wpływu ciepła na mikroby to sterylizacja parą wodną, pasteryzacja i spopielanie pętli inokulacyjnych. Podczas gdy chłodzenie i mrożenie są używane do konserwacji żywności, mrożenie w temperaturze 80°C, lub nawet niższej przy użyciu ciekłego azotu, jest używane do długoterminowej konserwacji kultur bakterii i archeonów. Szkodliwych skutków tworzenia się kryształów lodu można uniknąć mieszając płynne zawiesiny komórek ze sterylnymi roztworami krioprotektantu – glicerolu. Hodowle mogą wytrzymać liofilizację, a następnie być przechowywane w postaci proszku w szczelnie zamkniętych ampułkach, aby w razie potrzeby można je było odtworzyć za pomocą bulionu.
Życie w ekstremalnych środowiskach rodzi fascynujące pytania dotyczące adaptacji makrocząsteczek i procesów metabolicznych. Astrobiologia jest stosunkowo nową dyscypliną, która obejmuje multidyscyplinarne badania nad pochodzeniem, ewolucją i rozmieszczeniem życia we wszechświecie. Badania psychrofilów i (hiper)termofili mogą wzbogacić nasze rozumienie ewolucji życia na Ziemi (i być może gdzie indziej) podczas cieplejszych dni młodej planety, a także możliwego istnienia życia w ogólnie chłodniejszych środowiskach w kosmosie, a w szczególności na Marsie.
Odwiedź stronę NASA poświęconą astrobiologii, aby dowiedzieć się więcej o tej dyscyplinie i dowiedzieć się, jak badania ekstremofilnych cyjanobakterii mogą dostarczyć informacji na temat możliwości istnienia życia mikrobiologicznego na Marsie
- Jakie wymagania temperaturowe ma większość bakteryjnych patogenów człowieka?
- Jaką adaptację DNA wykazują termofile?
- Mikroorganizmy rozwijają się w szerokim zakresie temperatur; skolonizowały różne środowiska naturalne i przystosowały się do ekstremalnych temperatur. Zarówno ekstremalnie niskie, jak i wysokie temperatury wymagają ewolucyjnych zmian w makrocząsteczkach i procesach biologicznych.
- Psychrofile najlepiej rozwijają się w zakresie temperatur 0-15 °C, podczas gdy psychrotrofy rozwijają się w temperaturze pomiędzy 4 °C a 25 °C.
- Mezofile najlepiej rozwijają się w umiarkowanych temperaturach w zakresie od 20 °C do około 45 °C. Patogeny są zazwyczaj mezofilami.
- Termofile i hiperthemofile są przystosowane do życia w temperaturach powyżej 50 °C.
- Adaptacje do niskich i wysokich temperatur wymagają zmian w składzie lipidów błonowych i białek.
Multiple Choice
Drag and Drop
Krótka odpowiedź
- Jak białka hipertermofili są przystosowane do wysokich temperatur ich środowiska?
- Dlaczego NASA miałaby finansować badania mikrobiologiczne na Antarktydzie?
Myślenie krytyczne
- Bakteria wywołująca chorobę Hansena (trąd), Mycobacterium leprae, infekuje głównie kończyny ciała: ręce, stopy i nos. Czy możesz zgadywać, jaka jest jej optymalna temperatura wzrostu?
- Patrz rysunek 9.39. Niektóre hipertermofile mogą przetrwać temperaturę autoklawowania. Czy stanowią one problem w opiece zdrowotnej?