Thermofiel
.jpg)
Thermofiele ofwel warmteminnende organismen zijn organismen die leven onder omstandigheden van een hogere temperatuur dan vergelijkbare groepen. Vaak heeft men het dan over bacteriën of archaea, die een temperatuur verdragen boven 45 °C.[1] Organismen die gedijen bij een temperatuur van boven de 80 °C worden ook wel hyperthermofiel genoemd. Thermofiele bacteriën zijn vermoedelijk al zeer oud in de evolutie.[2]
Thermofielen leven in geothermisch verwarmde gebieden op aarde, zoals warmwaterbronnen in Yellowstone National Park of hydrothermale bronnen in de diepzee. Ook komen ze voor in rottend plantaardig materiaal, zoals veenmoerassen en compost. De eiwitten zijn vaak zodanig aangepast dat ze optimaal functioneren bij temperaturen waaronder normale – mesofiele – eiwitten zouden denatureren of uiteenvallen.
De enzymen van thermofielen zijn vanwege hun stabiliteit bruikbaar in laboratoria en industrie. Taq-polymerase uit de bacterie Thermus aquaticus is een klassiek voorbeeld. Dit enzym speelde een centrale rol in de ontwikkeling van PCR, een belangrijke techniek in de biologie waarmee een specifiek stukje DNA kan worden vermenigvuldigd. Thermofiele bacteriën zijn vanuit biotechnologisch oogpunt interessant en het genoom van sommige soorten is daarom relatief goed gekarakteriseerd.[3]
Biologie
[bewerken | brontekst bewerken]
Thermofiele en hyperthermofiele organismen overleven hoge temperaturen doordat hun enzymen en andere eiwitten hittebestendig zijn en optimaal functioneren bij hitte. Deze stabiliteit komt voort uit subtiele verschillen in aminozuursequentie ten opzichte van mesofiele enzymen.[2] Meer ionische bindingen tussen basische en zure aminozuren en sterkere hydrofobe gebieden, stabiliseren de eiwitvouwing en voorkomen dat ketens denatureren.[1] Daarnaast produceren sommige hyperthermofielen stabiliserende stoffen zoals di-inositolfosfaat, diglycerolfosfaat en mannosylglycerol.
Naast enzymen moeten ook de celmembranen van thermofielen en hyperthermofielen hittebestendig zijn. Hitte heeft de neiging op de lipide dubbellaag te verzwakken. Bij thermofiele micro-organismen bevat het celmembraan vaak veel verzadigde vetzuren met relatief lange ketens (zoals etherlipiden). Verzadigde vetzuren vormen een vastere hydrofobe omgeving dan onverzadigde vetzuren, en vetzuren met langere ketens hebben een hoger smeltpunt dan die met kortere ketens; dit vergroot de membraanstabiliteit.[1]
Thermofiele organismen beschermen hun genetisch materiaal (DNA) tegen beschadigingen met behulp van kleine eiwitten, zouten en speciale moleculen die de DNA-strengen stabiel en stevig verpakt houden. Topologische enzymen, zoals gyrases, kunnen het DNA zodanig oprollen dat denaturatie (het losgaan van de helixstructuur) wordt voorkomen. Veel thermofielen hebben bovendien efficiënte DNA-herstelsystemen die schade snel kunnen repareren, zodat het aantal mutaties zelfs in extreme hitte laag blijft.[5]
Record
[bewerken | brontekst bewerken]De hoogste temperatuur waarbij leven is aangetroffen is 121 °C voor een archaeon genaamd Geogemma barossii (Strain 121). Daarvoor stond de archaebacterie Pyrolobus fumarii bovenaan de lijst. Hoewel Strain 121 een temperatuur van 8 graden hoger kan "verdragen" hebben zij beide dezelfde optimale groeitemperatuur en worden zij beide in veelal dezelfde ecosystemen gevonden.[6] Bijvoorbeeld op de bodem van oceanen vlak bij scheuren in de aardkorst waar onder andere zogenaamde black smokers de plaatselijke temperatuur hoog kunnen opdrijven. Hyperthermofiele archaea zijn veelal chemolithotroof hoewel Strain 121 formiaat gebruikt als elektrondonor en ijzer(III) als elektronacceptor.
Voor meercellige dieren staat het temperatuursrecord op 80 °C voor de Pompeiiworm (Alvinella pompejana).
Zie ook
[bewerken | brontekst bewerken]- ↑ a b c (en) Madigan MT, Bender KS, Buckley DH. (2019). Brock Biology of Microorganisms, 15th. Pearson, pp. 192-193. ISBN 978-1-292-23510-3.
- ↑ a b (en) Nguyen V, Wilson C, Hoemberger M. (2017). Evolutionary drivers of thermoadaptation in enzyme catalysis. Science 355 (6322): 289–294. DOI: 10.1126/science.aah3717.
- ↑ (en) Henne A, Brüggemann H, Raasch C, Wiezer A. (2004). The genome sequence of the extreme thermophile Thermus thermophilus. Nature Biotechnology 22 (5): 547–553. DOI: 10.1038/nbt956.
- ↑ (en) Kulkarni TS, Khan S, Villagomez R, Mahmood T, Lindahl S, Logan DT, Linares-Pastén JA, Nordberg Karlsson E (2017). Crystal structure of β-glucosidase 1A from Thermotoga neapolitana and comparison of active site mutants for hydrolysis of flavonoid glucosides. Proteins 85 (5): 872–884. PMID 28142197. DOI: 10.1002/prot.25256.
- ↑ (en) Grogan DW (2002). Hyperthermophiles and the problem of DNA instability. Molecular Microbiology 28 (6): 1043–1049. DOI: 10.1046/j.1365-2958.1998.00853.x.
- ↑ (en) Cowan DA. (2004). The upper temperature for life – where do we draw the line?. Trends in Microbiology 12 (2): 58–60. DOI: 10.1016/j.tim.2003.12.002.