Extremofilní organismy a jejich sekundární metabolity

1. Extremofilní organismy a jejich sekundární metabolity prof. RNDr. Jiří Patočka, DrSc. prof.patocka@gmail.com http://www.toxicology.cz

2. Základní pojmy • Extremofilní organismus – prospívá v extremních podmínkách • Extrémem se rozumí: • Fyzikální faktory (tlak, teplota, radiace) • Chemické faktory (salinita, vysychání, pH, redox. prostředí, vysoká koncentrace iontů) • Biologické faktory (nutriční extrémy, populační hustota, parazitace)

3. Extremofilové • Na Zemi žije řada organismů, které si v ničem nezadají s mimozemšťany v sci-fi. Tolerují prostředí pro ostatní tvory smrtelně nebezpečná. Žijí v roztocích jedovatých chemikálií, kyselin a hydroxidů, v jaderných reaktorech či enormních teplotách. Žijí na stejné planetě jako my a přesto jsou nám cizí, jako-by z jiného světa. Extremofilové, podobně jako jiné organismy, produkují sekundární metabolity - chemické substance rozličné struktury a rozličných biologických funkcí. Jsou tyto biochemikálie také extrémní?

4. Vysoké teploty • Většina proteinů denaturuje mezi 40-50 °C • Pyrolobus fumari v sirných vývěrech černých komínů v hloubce 3650 m, 90 -113 °C • Strain 121, hypertermofilní archebakterie (Pyrodictium) • Nalezena v hydrotermálním průduchu Puget Sound, USA • Žije při teplotě 121 °C • Metabolismus založen na redukci oxidů železa

5. Hlubokomořské černé komíny • Černý komín, černý kuřák (black smoker) • Hydrotermální průduchy na mořském dně • Voda bohatá na minerály • Teplota až 400 °C

7. Černý kuřák v hloubce 2250 m. Tichý oceán, hřeben Juan de Fuca Ridge, západně od ostrova Vancouver

8. Život kolem černých kuřáků • Rozvinutá společenstva v uzavřeném ekosystému • Hloubka 2 – 5 km, obrovský tlak, vysoká teplota, žádné světlo, žádný kyslík • Zelené sirné bakterie – fotosyntéza v naprosté tmě - jejich metabolismus je založen na síře • Garnáti – krevety – krabi – červi – ryby • Dnes je známo okolo 600 těchto organismů

9. Mnohoštětinatí červi rodu Alvinella • Alvinella pompejana vydrží 70-80 °C • Pouštní mravenec Catyglyphis bicolor přežije 55 °C

10. Nízké teploty • Arktické ryby • Chvostoskoci (Collembola) aktivní až do -10 °C • Cryptoendolithotrophs – mikroorganismus z Antarktidy, aktivní do -15 °C

11. Huňatka Entomobrya nivalis • Měří 1-2 mm, vyskytuje se v mechu a lišejnících nebo v lesním humusu. • V zimním období ji často najdeme masově na sněhu v horských oblastech i na zahradě

13. Nejnižší teploty pro fotosyntézu Prasiola crispa -20°C

14. Usiminy A - C Nízké teploty snáší i lišejníky Usiminy, sekundární metabolity antarktického lišejníku Stereocaulon alpinum. Jsou to inhibitory protein-tyrosin-fosfatázy 1B

15. Nejvyšší teploty pro fotosyntézu Jednobuněčná řasa Cyanidium caldarium Yellowstone (75 °C) Akumuluje Fe, Zn, Cu, Ni a Mn Produkuje vitamin K (menachinon)

16. Nejvyšší úroveň radiace • Člověk onemocní při ozáření dávkou 2 Gy, letální dávka 6-10 Gy • Bakterie přežívají 60 Gy • Členovci (švábi, štíři) 900 Gy • Želvušky 5700 Gy • Bakterie Deinococcus radiodurans 15 000 Gy, žije v blízkosti jaderných reaktorů

17. Želvušky • Želvušky (Tardigrada) je kmen živočichů

18. Kyselé prostředí • Acidofilní bakterie • Lactobacillus, Thiobacillus • Thermoplasma acidophilus – skládky hlušiny po těžbě uhlí s nízkým pH (0-1).

19. Kyselé prostředí • Helicobacter pylori, gram-negativní bakterie, která u lidí kolonizuje žaludek • Nakažena je téměř polovina světové populace • Produkuje toxin známý jako VacA toxin (vakuolizující toxin) • Jeden z faktorů podílejících se na vzniku rakoviny žaludku

20. Alkalické prostředí • Streptomyces sp. AK 409 – alkalifilní mikromyceta • Produkuje pyrocoll, antibiotikum a antiparasitikum s protinádorovým účinkem

21. Alkalické prostředí • Alkalifilní bakterie • Natronobacterium pharaonis • Bacillus alcalophilus • Sinice (Spirulina, Microcystis, Plectonema) • Sodné jezero Magadi v Keni (pH 10)

22. Koncentrované roztoky solí • Halofilní organismy • Dunaliellasalina, jednobuněčná zelená řasa (30 % roztok soli) Vysoký obsah karotenoidů, beta-karoten Akumuluje arsen

23. DAGAP • Halofilní bakterie Rubrobacter xylanophilus, je rovněž radiorezistentní • Produkuje di-N-acetylglucosamin-fosfát (DAGAP), sekundární metabolit

24. Vysoká salinita • Žábronožky rodu Artemia • Žábronožka slaništní (A. salina) • Sladká voda 7 ml O2/litr • Mořská voda 4-6 ml O2/litr • Mrtvé moře 0,8 ml O2/litr • Krůček od anoxybiozy

25. Žábronožka slaništní

26. Anoxické podmínky • Karas obecný (Carassius carassius) • Přezimuje ve vodě anoxických tůní

27. Vysoké koncentrace těžkých kovů • Archebakterie a protobakterie • Ferroplasma acidophilum • Ralstonia solanacearum • Podílely se na vzniku rudných ložisek

28. Berkeley Pit Lake

29. Největší jedovaté jezero na světě (1,6 km, hloubka 270 m) Pozůstatek měděného dolu (1955 až 1982) Kyselá voda (pH = 2,5) s vysokým obsahem mědi (187 ppm), arsenu, kadmia a zinku Kyselina berkelová, produkt plísně Penicillium sp., silné kancerostatikum

30. Závěr • Životní podmínky, ve kterých žijí extremofilní organismy, se nám jeví jako absolutně nevyhovující pro cokoliv živého • Život na Zemi vznikal v extrémních podmínkách • Takové podmínky jako v ranných stádiích vývoje Země, panují i na většině těles Sluneční soustavy a patrně i jinde ve Vesmíru • To vše podporuje ideu, že život existuje i jinde ve Vesmíru

31. Ještě jsme tam však nenašli cestu