Extremófilo

Los colores brillantes de la Gran Primavera Prismática, Parque Nacional Yellowstone, son producidos por los termófilos, un tipo de extremofílico.

Un extremófilo (del latín extremus que significa "extremo" y griego philiā (φιλία) que significa "amor") es un organismo que es capaz de vivir (o en algunos casos prosperar) en ambientes extremos, es decir, ambientes que hacen que la supervivencia sea un desafío, como por ejemplo, debido a la temperatura extrema, la radiación, la salinidad o el nivel de pH.

Estos organismos son ecológicamente dominantes en la historia evolutiva del planeta. Algunas muestras de esporas y bacterias en capullo han estado inactivas durante más de 40 millones de años, los extremófilos han seguido prosperando en las condiciones más extremas, lo que los convierte en una de las formas de vida más abundantes.

Características

Diversidad de entornos extremos en la Tierra

En las décadas de 1980 y 1990, los biólogos descubrieron que la vida microbiana tiene una gran flexibilidad para sobrevivir en entornos extremos (nichos que son ácidos, extraordinariamente calientes o con una presión de aire irregular, por ejemplo) que serían completamente inhóspitos para organismos complejos. Algunos científicos incluso llegaron a la conclusión de que la vida pudo haber comenzado en la Tierra en fuentes hidrotermales muy por debajo de la superficie del océano.

Según el astrofísico Steinn Sigurdsson, "se han encontrado esporas bacterianas viables que tienen 40 millones de años en la Tierra, y sabemos que están muy endurecidas a la radiación". Se encontraron algunas bacterias viviendo en el frío y la oscuridad en un lago enterrado a media milla de profundidad bajo el hielo en la Antártida, y en la Fosa de las Marianas, el lugar más profundo de los océanos de la Tierra. Expediciones del Programa Internacional de Descubrimiento de los Océanos encontraron microorganismos en sedimentos a 120 °C que se encuentran a 1,2 km por debajo del lecho marino en la zona de subducción de Nankai Trough. Se han encontrado algunos microorganismos prosperando dentro de las rocas hasta 580 m (1900 pies) por debajo del fondo del mar bajo 2600 m (8500 pies) de océano frente a la costa del noroeste de los Estados Unidos. Según uno de los investigadores, "Puedes encontrar microbios en todas partes: son extremadamente adaptables a las condiciones y sobreviven donde sea que estén". Una clave para la adaptación de los extremófilos es su composición de aminoácidos, que afecta su capacidad de plegamiento de proteínas en condiciones particulares. Estudiar ambientes extremos en la Tierra puede ayudar a los investigadores a comprender los límites de habitabilidad en otros mundos.

Tom Gheysens de la Universidad de Ghent en Bélgica y algunos de sus colegas han presentado hallazgos de investigación que muestran que las esporas de una especie de bacteria Bacillus sobrevivieron y aún eran viables después de calentarse a temperaturas de 420 °C (788 °F).

Clasificaciones

Hay muchas clases de extremófilos que se distribuyen por todo el mundo; cada uno correspondiente a la forma en que su nicho ambiental difiere de las condiciones mesófilas. Estas clasificaciones no son excluyentes. Muchos extremófilos pertenecen a varias categorías y se clasifican como poliextremófilos. Por ejemplo, los organismos que viven dentro de rocas calientes en las profundidades de la superficie de la Tierra son termofílicos y piezofílicos, como Thermococcus barophilus. Un poliextremófilo que vive en la cima de una montaña en el desierto de Atacama podría ser un xerófilo radiorresistente, un psicrófilo y un oligótrofo. Los poliextremófilos son bien conocidos por su capacidad para tolerar niveles de pH altos y bajos.

Términos

Imagen microscópica del lago de Tyrrell hipersaline (salinity ratio 20% w/v), en la que el clorofito eucarístico, Dunaliella salina, puede ser identificado provisionalmente. Dunaliella salina se cultiva comercialmente para el carotenoides, β-caroteno, que es ampliamente utilizado como un colorante natural de alimentos, así como un precursor de la vitamina A. Junto al haloarchaeon, Haloquadratum walsbyi, que tiene células planas en forma cuadrada con vesículas de gas que permiten la flotación a la superficie, lo más probable es que adquiera oxígeno.

Acidophile

Un organismo con un crecimiento óptimo en los niveles de pH de 3.0 o inferior.

Alkaliphile

Un organismo con un crecimiento óptimo a niveles de pH de 9.0 o superiores.

Anaerobe

Un organismo con un crecimiento óptimo en ausencia de oxígeno molecular. Existen dos subtipos: anaerobio facultativo y anaerobio obligatorio. A facultativa anaerobio puede tolerar las condiciones anoxicas y oxínicas mientras que un obligato anaerobe morirá en presencia de niveles incluso bajos de oxígeno molecular:

Capnophile

Un organismo con condiciones de crecimiento óptimas en altas concentraciones de dióxido de carbono. Un ejemplo sería Mannheimia succiniciproducen, una bacteria que habita el sistema digestivo de un animal rumiante.

Cryptoendolith

Un organismo que vive en espacios microscópicos dentro de rocas, como poros entre granos agregados. Estos también pueden llamarse endolith, un término que también incluye organismos que contienen fisuras, acuíferos y fallas llenas de agua subterránea en la subsuperficie profunda.

Halophile

Un organismo con crecimiento óptimo a una concentración de sales disueltas de 50 g/L (= 5% m/v) o superior.

Hyperpiezophile

Un organismo con un crecimiento óptimo a presiones hidrostáticas superiores a 50 MPa (= 493 atm = 7,252 psi).

Hyperthermophile

Un organismo con un crecimiento óptimo a temperaturas superiores a 80 °C (176 °F).

Hypolith

Un organismo que vive bajo rocas en desiertos fríos.

Metallotolerant

Capaz de tolerar altos niveles de metales pesados disueltos en solución, como cobre, cadmio, arsénico y zinc. Ejemplos incluyen Ferroplasma sp., Cupriavidus metallidurans y GFAJ-1.

Oligotroph

Un organismo con un crecimiento óptimo en entornos nutricionalmente limitados.

Osmophile

Un organismo con un crecimiento óptimo en ambientes con una alta concentración de azúcar.

Piezophile

Un organismo con un crecimiento óptimo de las presiones hidrostáticas superiores a 10 MPa (= 99 atm = 1.450 psi). También se conoce como barófilo.

Polyextremophile

A poliextremophile (faux Ancient Latin/Greek for 'affection for many extremes') es un organismo que califica como un extremophile bajo más de una categoría.

Psychrophile/Cryophile

Un organismo con un crecimiento óptimo a temperaturas de 15 °C (59 °F) o inferiores.

Radioresistentes

Organismos resistentes a altos niveles de radiación ionizante, la radiación más comúnmente ultravioleta. Esta categoría incluye también organismos capaces de resistir a la radiación nuclear.

Sulfófilo

Un organismo con condiciones de crecimiento óptimas en altas concentraciones de azufre. Un ejemplo sería Sulfurovum Epsilonproteobacteria, una bacteria sulfur-oxidante que habita en los respiraderos de azufre de agua profunda.

Thermophile

Un organismo con un crecimiento óptimo a temperaturas superiores a 45 °C (113 °F).

Xerophile

Un organismo con un crecimiento óptimo en la actividad hídrica inferior a 0.8.

En astrobiología

La astrobiología es el campo multidisciplinario que investiga las condiciones deterministas y los eventos contingentes con los que surge, se distribuye y evoluciona la vida en el universo. La astrobiología hace uso de la física, la química, la astronomía, la física solar, la biología, la biología molecular, la ecología, la ciencia planetaria, la geografía y la geología para investigar la posibilidad de vida en otros mundos y ayudar a reconocer biosferas que podrían ser diferentes a las de la Tierra. Los astrobiólogos están particularmente interesados en el estudio de los extremófilos, ya que les permite mapear lo que se sabe sobre los límites de la vida en la Tierra a entornos extraterrestres potenciales. concentración de minerales. Estas condiciones son similares a las de Marte. Por lo tanto, encontrar microbios viables en el subsuelo de la Antártida sugiere que puede haber microbios sobreviviendo en comunidades endolíticas y viviendo bajo la superficie marciana. La investigación indica que es poco probable que existan microbios marcianos en la superficie o en profundidades superficiales, pero se pueden encontrar en profundidades subterráneas de alrededor de 100 metros.

Recientes investigaciones realizadas sobre extremófilos en Japón involucraron una variedad de bacterias, incluidas Escherichia coli y Paracoccus denitrificans, que están sujetas a condiciones de extrema gravedad. Las bacterias se cultivaron mientras se giraban en una ultracentrífuga a altas velocidades correspondientes a 403 627 g (es decir, 403 627 veces la gravedad experimentada en la Tierra). Paracoccus denitrificans fue una de las bacterias que mostró no solo supervivencia sino también un crecimiento celular robusto en estas condiciones de hiperaceleración que generalmente se encuentran solo en entornos cósmicos, como en estrellas muy masivas o en las ondas de choque de supernovas El análisis mostró que el tamaño pequeño de las células procariotas es esencial para el crecimiento exitoso en condiciones de hipergravedad. La investigación tiene implicaciones sobre la viabilidad de la panspermia.

El 26 de abril de 2012, los científicos informaron que el liquen sobrevivió y mostró resultados notables sobre la capacidad de adaptación de la actividad fotosintética dentro del tiempo de simulación de 34 días en condiciones marcianas en el Laboratorio de Simulación de Marte (MSL) mantenido por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR).).

El 29 de abril de 2013, científicos del Instituto Politécnico Rensselaer, financiado por la NASA, informaron que, durante los vuelos espaciales en la Estación Espacial Internacional, los microbios parecen adaptarse al entorno espacial de formas "no observadas en la Tierra" y en formas que "pueden conducir a aumentos en el crecimiento y la virulencia".

El 19 de mayo de 2014, los científicos anunciaron que numerosos microbios, como Tersicoccus phoenicis, pueden ser resistentes a los métodos que se utilizan habitualmente en las salas limpias de montaje de naves espaciales. Actualmente no se sabe si esos microbios resistentes podrían haber resistido los viajes espaciales y están presentes en el rover Curiosity ahora en el planeta Marte.

El 20 de agosto de 2014, los científicos confirmaron la existencia de microorganismos que viven a media milla debajo del hielo de la Antártida.

En septiembre de 2015, científicos del CNR-Consejo Nacional de Investigación de Italia informaron que S.soflataricus pudo sobrevivir bajo la radiación marciana en una longitud de onda que se consideró extremadamente letal para la mayoría de las bacterias. Este descubrimiento es significativo porque indica que no solo las esporas bacterianas, sino también las células en crecimiento pueden ser notablemente resistentes a la fuerte radiación UV.

En junio de 2016, científicos de la Universidad Brigham Young informaron de manera concluyente que las endosporas de Bacillus subtilis pudieron sobrevivir a impactos de alta velocidad de hasta 299±28 m/s, golpes extremos y desaceleración extrema. Señalaron que esta característica podría permitir que las endosporas sobrevivieran y se transfirieran entre planetas viajando dentro de meteoritos o experimentando una alteración de la atmósfera. Además, sugirieron que el aterrizaje de la nave espacial también puede resultar en la transferencia de esporas interplanetarias, dado que las esporas pueden sobrevivir a un impacto de alta velocidad mientras son expulsadas de la nave espacial a la superficie del planeta. Este es el primer estudio que informó que las bacterias pueden sobrevivir en un impacto de tan alta velocidad. Sin embargo, se desconoce la velocidad del impacto letal y se deben realizar más experimentos introduciendo un impacto de mayor velocidad en las endosporas bacterianas.

En agosto de 2020, los científicos informaron que las bacterias que se alimentan del aire descubiertas en 2017 en la Antártida probablemente no se limiten a la Antártida después de descubrir los dos genes previamente vinculados a su "quimiosíntesis atmosférica" en el suelo de otros dos sitios desérticos fríos similares, lo que proporciona más información sobre este sumidero de carbono y fortalece aún más la evidencia extremófila que respalda la posible existencia de vida microbiana en planetas alienígenas.

El mismo mes, los científicos informaron que las bacterias de la Tierra, particularmente Deinococcus radiodurans, sobrevivieron durante tres años en el espacio exterior, según estudios en la Estación Espacial Internacional. Estos hallazgos apoyan la noción de panspermia.

Biorremediación

Los extremófilos también pueden ser actores útiles en la biorremediación de sitios contaminados, ya que algunas especies son capaces de biodegradarse en condiciones demasiado extremas para las especies clásicas candidatas a la biorremediación. La actividad antropogénica provoca la liberación de contaminantes que potencialmente pueden asentarse en ambientes extremos, como es el caso de los relaves y sedimentos liberados por la actividad minera en aguas profundas. Si bien la mayoría de las bacterias serían aplastadas por la presión en estos ambientes, los piezófilos pueden tolerar estas profundidades y metabolizar los contaminantes de interés si poseen potencial de biorremediación.

Hidrocarburos

Existen múltiples destinos potenciales para los hidrocarburos después de que se ha asentado un derrame de petróleo y las corrientes los depositan habitualmente en ambientes extremos. Las burbujas de metano resultantes del derrame de petróleo de Deepwater Horizon se encontraron 1,1 kilómetros por debajo del nivel de la superficie del agua y en concentraciones de hasta 183 μmol por kilogramo. La combinación de bajas temperaturas y altas presiones en este entorno da como resultado una baja actividad microbiana. Sin embargo, se descubrió que las bacterias que están presentes, incluidas especies de Pseudomonas, Aeromonas y Vibrio, son capaces de biorremediación, aunque a una décima parte de la velocidad actuarían a la presión del nivel del mar. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos aumentan en solubilidad y biodisponibilidad con el aumento de la temperatura. Las especies termófilas Thermus y Bacillus han demostrado una mayor expresión génica de la alcano monooxigenasa alkB a temperaturas superiores a 60 °C. La expresión de este gen es un precursor crucial del proceso de biorremediación. Se ha demostrado que los hongos modificados genéticamente con enzimas adaptadas al frío para tolerar diferentes niveles de pH y temperaturas son efectivos para remediar la contaminación por hidrocarburos en condiciones de congelación en la Antártida.

Metales

Acidithiubacillus ferroxidans es eficaz para remediar el mercurio en suelos ácidos debido a su gen merA que lo hace resistente al mercurio. Los efluentes industriales contienen altos niveles de metales que pueden ser perjudiciales para la salud humana y del ecosistema. En ambientes de calor extremo, se ha demostrado que el extremófilo Geobacillus thermodenitrificans gestiona eficazmente la concentración de estos metales dentro de las doce horas posteriores a la introducción. Algunos microorganismos acidófilos son efectivos en la remediación de metales en ambientes ácidos debido a las proteínas que se encuentran en su periplasma, que no están presentes en ningún organismo mesófilo, lo que les permite protegerse de las altas concentraciones de protones. Los arrozales son ambientes altamente oxidativos que pueden producir altos niveles de plomo o cadmio. Deinococcus radiodurans son resistentes a las duras condiciones ambientales y, por lo tanto, son especies candidatas para limitar el grado de contaminación de estos metales.

Se sabe que algunas bacterias también usan elementos de tierras raras en sus procesos biológicos, por ejemplo, se sabe que Methylacidiphilum fumariolicum, Methylorubrum extorquens y Methylobacterium radiotolerans pueden usar lantánidos como cofactores para aumentar su actividad de metanol deshidrogenasa.

Drenaje ácido de mina

El drenaje ácido de las minas es una preocupación ambiental importante asociada con muchas minas de metales. Uno de los métodos más productivos de su remediación es a través de la introducción del organismo extremófilo Thiobacillus ferrooxidans.

Materiales radiactivos

Cualquier bacteria capaz de habitar en medios radiactivos puede clasificarse como extremófila. Por lo tanto, los organismos radiorresistentes son críticos en la biorremediación de radionúclidos. El uranio es particularmente difícil de contener cuando se libera en el medio ambiente y es muy dañino para la salud humana y del ecosistema. El proyecto NANOBINDERS está equipando a las bacterias que pueden sobrevivir en entornos ricos en uranio con secuencias de genes que permiten que las proteínas se unan al uranio en los efluentes mineros, lo que facilita su recogida y eliminación. Algunos ejemplos son Shewanella putrefaciens, Geobacter metallireducens y algunas cepas de Burkholderia fungorum.

Se han encontrado hongos radiotróficos, que utilizan la radiación como fuente de energía, dentro y alrededor de la planta de energía nuclear de Chernobyl.

También se ha observado radiorresistencia en ciertas especies de formas de vida macroscópicas. La dosis letal necesaria para matar hasta el 50 % de una población de tortugas es de 40 000 roentgens, en comparación con los 800 roentgens necesarios para matar al 50 % de una población humana. En experimentos en los que se expusieron insectos lepidópteros a la radiación gamma, se detectó un daño significativo en el ADN solo con dosis de 20 Gy y más, en contraste con las células humanas que mostraron un daño similar con solo 2 Gy.

Ejemplos y hallazgos recientes

Con frecuencia se identifican nuevos subtipos de -philes y la lista de subcategorías para extremófilos siempre está creciendo. Por ejemplo, la vida microbiana vive en el lago de asfalto líquido, Pitch Lake. Las investigaciones indican que los extremófilos habitan el lago de asfalto en poblaciones que oscilan entre 10⁶ y 10⁷ células/gramo. Asimismo, hasta hace poco se desconocía la tolerancia al boro, pero se descubrió un fuerte borófilo en las bacterias. Con el reciente aislamiento de Bacillus boroniphilus, los borófilos entraron en discusión. El estudio de estos borófilos puede ayudar a esclarecer los mecanismos tanto de la toxicidad como de la deficiencia de boro.

En julio de 2019, un estudio científico de Kidd Mine en Canadá descubrió organismos que respiran azufre que viven a 7900 pies debajo de la superficie y que respiran azufre para sobrevivir. Estos organismos también son notables debido a que comen rocas como la pirita como su fuente de alimento habitual.

Biotecnología

La catalasa termoalcalifílica, que inicia la descomposición del peróxido de hidrógeno en oxígeno y agua, fue aislada de un organismo, Thermus brockianus, encontrado en el Parque Nacional de Yellowstone por investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho. La catalasa opera en un rango de temperatura de 30 °C a más de 94 °C y un rango de pH de 6 a 10. Esta catalasa es extremadamente estable en comparación con otras catalasas a altas temperaturas y pH. En un estudio comparativo, el T. La catalasa de brockianus exhibió una vida media de 15 días a 80 °C y pH 10, mientras que una catalasa derivada de Aspergillus niger tuvo una vida media de 15 segundos en las mismas condiciones. La catalasa tendrá aplicaciones para la eliminación de peróxido de hidrógeno en procesos industriales como el blanqueo de pulpa y papel, el blanqueo de textiles, la pasteurización de alimentos y la descontaminación de superficies de envases de alimentos.

Transferencia de ADN

Se sabe que más de 65 especies procarióticas son naturalmente competentes para la transformación genética, la capacidad de transferir ADN de una célula a otra seguido de la integración del ADN del donante en el cromosoma de la célula receptora. Varios extremófilos pueden realizar transferencias de ADN específicas de especies, como se describe a continuación. Sin embargo, aún no está claro qué tan común es tal capacidad entre los extremófilos.

La bacteria Deinococcus radiodurans es uno de los organismos más radiorresistentes que se conocen. Esta bacteria también puede sobrevivir al frío, la deshidratación, el vacío y el ácido, por lo que se la conoce como poliextremófila. D. radiodurans es competente para realizar la transformación genética. Las células receptoras pueden reparar el daño del ADN en el ADN transformante del donante que ha sido irradiado con UV tan eficientemente como reparan el ADN celular cuando las propias células son irradiadas. La bacteria termófila extrema Thermus thermophilus y otras especies Thermus relacionadas también son capaces de transformación genética.

Halobacterium volcanii, una arquea extremadamente halófila (tolerante a la salinidad), es capaz de una transformación genética natural. Los puentes citoplasmáticos se forman entre las células que parecen usarse para la transferencia de ADN de una célula a otra en cualquier dirección.

Sulfolobus solfataricus y Sulfolobus acidocaldarius son arqueas hipertermófilas. La exposición de estos organismos a los agentes que dañan el ADN, la radiación UV, la bleomicina o la mitomicina C, induce la agregación celular específica de la especie. Agregación celular inducida por UV de S. acidocaldarius media el intercambio de marcadores cromosómicos con alta frecuencia. Las tasas de recombinación superan las de los cultivos no inducidos hasta en tres órdenes de magnitud. Frols et al. y Ajon et al. planteó la hipótesis de que la agregación celular mejora la transferencia de ADN específica de especie entre las células Sulfolobus para reparar el ADN dañado por medio de la recombinación homóloga. Van Wolferen et al. señaló que este proceso de intercambio de ADN puede ser crucial en condiciones que dañan el ADN, como las altas temperaturas. También se ha sugerido que la transferencia de ADN en Sulfolobus puede ser una forma temprana de interacción sexual similar a los sistemas de transformación bacterianos mejor estudiados que involucran la transferencia de ADN específica de especie que conduce a la reparación homóloga del daño en el ADN. (y ver Transformación (genética)).

Las vesículas de membrana extracelular (MV) podrían estar involucradas en la transferencia de ADN entre diferentes especies de arqueas hipertermófilas. Se ha demostrado que tanto los plásmidos como los genomas virales pueden transferirse a través de MV. En particular, se ha documentado una transferencia horizontal de plásmidos entre las especies hipertermófilas Thermococcus y Methanocaldococcus, pertenecientes respectivamente a los órdenes Thermococcales y Methanococcales.