Extremófilo

Un extremófilo^[1] é un organismo que vive en condicións extremas físicas ou xeoquímicas, onde non poderían prosperar a maioría dos seres vivos da Terra, tales como elevadas temperaturas, ou alta acidez ou salinidade.^[2][3] A maioría son microorganismos, pero tamén hai organismos pluricelulares, como plantas e animais que poden vivir en condicións extremas. Os organismos que viven en ambientes onde as condicións son moderadas denomínanse mesófilos.

Os termófilos son un tipo de extremófilos como estes microorganismos que crecen formando colonias de cores rechamantes nunha poza do Parque Nacional de Yellowstone, EUA.

Características

Nas décadas de 1980 e 1990, os biólogos atoparon que a vida microbiana tiña unha sorprendente flexibilidade para poder sobrevivir en ambientes extremos, por exemplo en nichos extraordinariamente quentes ou ácidos, que serían completamente inhabitables polos organismos complexos. Algúns científicos mesmo concluíron que a vida puido ter empezado na Terra en fontes hidrotermais do océano profundo.^[4] Segundo o astrofísico Steinn Sigurdsson, "Encontráronse esporas bacterianas viables de hai 40 millóns de anos na Terra, e sabemos que son moi resistentes á radiación."^[5] En 2013, atopáronse bacterias que vivían nun lago frío e escuro situado a máis de medio quilómetro de profundidade baixo o xeo da Antártida.^[6] Tamén en 2013, obtivéronse datos que suxerían que as formas de vida microbianas podían prosperar na fosa das Marianas no océano Pacífico, que é o punto máis profundo da codia terrestre.^[7][8] Outras investigacións informaron que os microbios poden vivir dentro das rochas ata a 580 metros de profundidade na codia desde o leito do mar nunha zona oceánica situada a 2591 metros de profundidade na costa noroeste dos Estados Unidos.^[7][9] Un dos investigadores afirmou "Pódense encontrar microbios en todas partes; son extemadamente adaptables ás condicións, e sobreviven ondequeira que están."^[7]

Morfoloxía

Os extremófilos mellor coñecidos son microbios. O dominio Archaea ten os exemplos máis salientables, pero os extremófilos están presentes en numerosas e diversas liñaxes xenéticas de bacterias e arqueas. Ademais, non é correcto aplicar o termo extremófilos a todas as arqueas, xa que algunhas son mesófilas. Tampouco é correcto pensar que todos os extremófilos son seres unicelulares, xa que hai animais protóstomos que se encontran en ambientes similares como o verme de Pompeia Alvinella pompejana, ou insectos psicrófilos da familia dos Grylloblattidae, os crustáceos do krill antárctico e os tardígrados.

Clasificacións

Hai moitas clases de extremófilos que se encontran por todo o mundo, que se adpataron por diversas vías ás condicións extremas dos seus nichos xeralmente desde as condicións mesófilas. Estas clasificacións non son exclusivas. Moitos extremófilos pertencen a moitas categorías á vez e denomínanse poliextremófilos. Por exemplo, os organismos que viven nas rochas quentes profundas da codia terrestre son á vez termófilos e barófilos, como é o caso de Thermococcus barophilus.^[10] Un poliextremófilo que vive no cumio dunha montaña do deserto de Atacama, Chile, parece que é á vez radiorresistente, xerófilo, psicrófilo, e oligótrofo. Algúns poliextremófilos son coñecidos pola súa capacidade de tolerar tanto pHs altos coma baixos.

Termos utilizados

Acidófilo

Organismo que crece optimamente a pH 3 ou inferior.

Alcalófilo

Organismo cun crecemento óptimo a pH 9 ou superior.

Anaerobio

Organismo que non require oxíxeno para crecer. Poden ser de dous tipos: facultativos ou obrigados. Os anaerobios facultativos poden tolerar tanto condicións anaerobias coma aerobias. Os anaerobios obrigados morren en presenza mesmo de niveis traza de oxíxeno.

Criptoendólito

Organismo que vive nos espazos microscópicos dentro das rochas, como os poros que quedan entre grans minerais agregados. Tamén se lles pode chamar endólitos, termo que tamén inclúe aos organismos que viven en fisuras, acuíferos, e fallas cheas de auga subterránea na zona subsuperficial profunda.

Halófilo

Organismo que require polo menos concentracións 0,2M de sal (NaCl) para crecer.^[11]

Hipertermófilo

Organismo que prospera optimamente a temperaturas entre 80 e 122 °C, como os que se atopan en sistemas hidrotermais.

Hipólito

Organismo que vive baixo as rochas dos desertos fríos.

Litoautótrofo

Organismo (xeralmente bacteria) que utiliza como única fonte de carbono o dióxido de carbono e a oxidación exergónica inorgánica (quimiolitótrofo) como Nitrosomonas europaea; estes organismos poden obter enerxía de compostos minerais reducidos como as piritas, e son activos na reciclaxe xeoquímica e na meteorización das rochas para formas solos.

Metalotolerante

Organismo que tolera altos niveis de metais pesados en solución, como o cobre, cadmio, arsénico, e cinc; exemplos son Ferroplasma sp., Cupriavidus metallidurans e GFAJ-1.^[12][13][14]

Oligótrofo

Organismo que pode crecer en ambientes limitados nutricionalmente.

Osmófilo

Organismo capaz de crecer en ambientes con altas concentracións de azucres.

Piezófilo (ou barófilo)

Organismo que vive optimamente a altas presións, como os que viven nas profundidades do océano ou nas profundidades da codia terrestre;^[15] que son comúns nas profundidades terrestres subsuperficiais e nas fosas oceánicas.

Poliextremófilo

Organismo capacitado para vivir en máis dun tipo de condicións extremas, polo que pertencería á vez a varias categorías.

Psicrófilo ou criófilo

Organismo que pode sobrevivir, crecer e reproducirse a temperaturas de -15 °C ou inferiores durante prolongados períodos. Son comúns en solos fríos, permafrost, xeo polar, augas frías oceánicas, e baixo as acumulación de neve alpinas.

Radiorresistante

Organismo resistente a altos niveis de radiación ionizante, xeralmente radiación ultravioleta, pero tamén hai organismos resistentes á radiación nuclear.

Termófilo

Organismo que pode prosperar a temperaturas entre 45–122 °C.

Termoacidófilo

Organismo que combina as capacidades dos termófilos e os acidófilos, que prefire temperaturas de 70–80 °C e pHs entre 2 e 3.

Xerófilo

Organismo que pode crecer en condicións extremadamente secas, deshidratantes, como os microbios do solo do deserto de Atacama.

En astrobioloxía

A astrobioloxía é a ciencia que trata de elaborar teorías sobre a distribución, natureza e futuro da vida no universo, como a panspermia. Na astrobioloxía colaboran ecólogos microbianos, astrónomos, científicos planetarios, xeoquímicos, filósofos, e exploradores para guiar a busca de vida noutros planetas. Os astrobiólogos están especialmente interesados no estudo dos extremófilos, xa que moitos organismos deste tipo son capaces de sobrevivir en ambientes similares aos que se sabe que existen noutros planetas. Por exemplo, en Marte pode haber rexións no seu permafrost subsuperficial profundo que podería albergar comunidades de microbios endólitos.^[16] A auga do océano subsuperficial que se cre que hai na lúa de Xúpiter Europa pode albergar vida, especialmente nas fontes hidrotermais que se hipotetiza que poderían existir alí.

Investigacións recentes realizadas no Xapón sobre extremófilos someteron a condicións de gravidade extrema a bacterias como Escherichia coli e Paracoccus denitrificans. Estas bacterias cultiváronse mentres rotaban nunha ultracentrífuga a altas velocidades equivalentes a 403.627 veces a gravidade da Terra. Paracoccus denitrificans foi unha das bacterias que non só sobreviviu senón tamén mostrou un robusto crecemento celular nesas condicións de hiperaceleración cuxos equivalentes se encontran normalmente só en ambientes cósmicos, como estrelas supermasivas ou ondas de choque de supernovas. As análises indicaron que o pequeno tamaño das células procarióticas é esencial para un crecemento con éxito en condicións de hipergravidade. Estas investigacións teñen implicacións sobre a factibilidade da panspermia.^[17][18]

En 2012, informouse que certos liques podían sobrevivir e tiñan unha gran capacidade de fotosíntetizar nunha simulación de 34 días en condicións similares ás de Marte no Laboratorio de Simulación de Marte (MSL) do Centro do Aerospazo Alemán (DLR).^[19][20]

En 2013, científicos franceses financiados pola NASA informaron que, durante un voo espacial na Estación Espacial Internacional, os microbios parecían adaptarse ao ambiente do espazo de xeitos "non observados na Terra" e de maneiras que "podían levar a un incremento no seu crecemento e virulencia".^[21]

Exemplos

O número de extremófilos está a crecer decote conforme se van descubrindo novos grupos de microbios. Por exemplo, hai vida microbiana no lago de asfalto líquido, Pitch Lake da illa caribeña de Trinidad. Os investigadores indicaron que os extremófilos que habitan o lago de asfalto forman poboacións de entre 10⁶ a 10⁷ células/gramo.^[22][23] Igualmente, ata hai pouco non se coñecían microbios con tolerancia ao boro, pero descubriuse unha bacteria fortemente tolerante ao boro chamada Bacillus boroniphilus.^[24]

Aplicacións industriais

A catalase termoalcalifílica é un encima que inicia a rotura do peróxido de hidróxeno en oxíxeno e auga, que foi illado da especie Thermus brockianus, atopada no Parque Nacional de Yellowstone. Esta catalase funciona entre os 30 °C e os 94 °C de temperatura e a pHs entre 6 e 10. Esta catalase é extremadamente estable comparada con outras catalases a altas temperaturas e pHs. Nun estudo comparativo, a catalase de T. brockianus tiña unha vida media de 15 días a 80 °C e pH 10, mentres que a catalase do fungo Aspergillus niger tiña unha vida media de só 15 segundos nas mesmas condicións. Esta catalase pode ter aplicacións na eliminación do peróxido de hidróxeno en procesos industriais como o branqueamento do papel e pasta de papel, branqueamento téxtil, pasteurización do leite, e descontaminación de superficies para o empaquetamento de alimentos.^[25]

Os encimas que actúan sobre o ADN como a ADN polimerase Taq e algúns encimas de Bacillus utilizados en diagnósticos clínicos e licuefacción de amidóns son producidos comercialmente por varias compañías de biotecnoloxía.^[26] A Taq polimerase da bacteria termal Thermus aquaticus utilízase na reacción en cadea da polimerase, xa que funciona ás altas temperaturas utilizadas nesa técnica.

Transferencia de ADN

Unha 65 especies procarióticas poden de forma natural realizar a transformación xenética, a capacidade de transferir ADN dunha célula a outra, o cal vai seguido da integración do ADN do doante no cromosoma do receptor.^[27] Varios extremófilos poden levar a cabo unha transferencia de ADN específica de especie, como se describe despois. Porén, non está aínda claro se esta capacidade é moi común entre os extremófilos.

A bacteria Deinococcus radiodurans é un dos organismos máis radiorresistentes coñecidos. Esta bacteria pode tamén sobrevivir ao frío, deshidratación, baleiro e ácidos, polo que é un poliextremófilo. D. radiodurans é competente para realizar transformacións xenéticas.^[28] As células receptoras poden reparar os danos no ADN en ADN transformante doante que foi irradiado con luz ultravioleta de xeito tan eficiente como reparan o seu ADN celular cando as propias células son irradiadas. As bacterias termofílicas extremas Thermus thermophilus e outras especies de Thermus poden tamén realizar transformacións xenéticas.^[29]

Halobacterium volcanii é unha arquea halófila extrema capaz de realizar tamén transformacións xenéticas naturais. Fórmanse pontes citoplasmáticas entre as células que parece que se usan para a transferencia de ADN dunha célula a outra en ambas as direccións.^[30]

Sulfolobus solfataricus e Sulfolobus acidocaldarius son arqueas hipertermófilas. A exposición destes organismos a axentes que danan o ADN, como a luz UV ou certos axentes químicos induce unha agregación celular específica de especie.^[31][32] Posteriormente prodúcese un intercambio de ADN e a reparación do ADN danado co ADN doante.^[31][32][32] Van Wolferen et al.^[33] consideraron que este proceso de intercambio de ADN pode ser fundamental en condicións nas que se producen danos no ADN como as altas temperaturas, e pode considerarse que é unha forma incipiente de diferenciación e interacción sexual, que favorece a reparación por recombinación homóloga do ADN.^[34]

As vesículas de membrana extracelulares poden estar implicadas na transferencia de ADN entre diferentes especies de arqueas hipertermófilas.^[35] Por medio destas vesículas poden transferirse plásmidos^[36] e xenomas virais,^[35] o que pode favorecer a transferencia horizontal de plásmidos, como a observada entre as hipertermófilas Thermococcus e Methanocaldococcus.^[37]