Un extremófilos (del latín extremus significado "extrema" y griega Philia ( φιλία ) que significa "amor") es un organismo con un crecimiento óptimo en condiciones ambientales considerados extrema y que es un reto para una vida basada en el carbono forma con toda la vida conocida, para sobrevivir. [1]
Estos organismos son dominantes en la historia evolutiva del planeta. Los extremófilos, que se remontan a hace más de 40 millones de años, han seguido prosperando en las condiciones más extremas, lo que los convierte en una de las formas de vida más abundantes. [2]
Esto no es lo mismo que una visión más antropocéntrica y no científica que considera que un extremófilo es un organismo que vive en ambientes incómodos para los humanos . [3] [4] [5] En contraste, los organismos que viven en condiciones ambientales más moderadas, según una visión antropocéntrica, pueden denominarse mesófilos o neutrófilos .
Caracteristicas
En las décadas de 1980 y 1990, los biólogos encontraron que la vida microbiana tiene una gran flexibilidad para sobrevivir en ambientes 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 respiraderos hidrotermales muy por debajo de la superficie del océano. [6]
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 ". [7] 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 , [8] y en la Fosa de las Marianas , el lugar más profundo de los océanos de la Tierra. [9] [10] Las 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 . [11] [12] Se han encontrado algunos microorganismos prosperando dentro de las rocas hasta 1.900 pies (580 m) por debajo del lecho marino bajo 8.500 pies (2.600 m) de océano frente a la costa del noroeste de los Estados Unidos. [9] [13] Según uno de los investigadores, "Puedes encontrar microbios en todas partes; son extremadamente adaptables a las condiciones y sobreviven donde sea que estén". [9] Una clave para la adaptación de los extremófilos es su composición de aminoácidos , que afecta su capacidad de plegamiento de proteínas en condiciones particulares. [14] El estudio de entornos extremos en la Tierra puede ayudar a los investigadores a comprender los límites de la habitabilidad en otros mundos. [15]
Tom Gheysens de la Universidad de Gante 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). [dieciséis]
Los límites de la vida conocida en la Tierra. [17] | |||
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Factor | Medio ambiente / fuente | Limites | Ejemplos de |
Alta temperatura | Respiraderos hidrotermales submarinos , corteza oceánica | 110 ° C a 121 ° C [11] [17] | Pyrolobus fumarii , Pyrococcus furiosus |
Baja temperatura | Hielo | -20 ° C a -25 ° C [18] | Synechococcus lividus |
Sistemas alcalinos | Lagos de soda | pH > 11 [17] | Psychrobacter , Vibrio , Arthrobacter , Natronobacterium |
Sistemas ácidos | Manantiales volcánicos, drenaje ácido de minas | pH -0,06 a 1,0 [17] | Bacilo , Clostridium paradoxum |
Radiación ionizante | Rayos cósmicos , rayos X , desintegración radiactiva. | 1.500 a 6.000 Gy [17] | Deinococcus radiodurans , Rubrobacter , Thermococcus gammatolerans |
Radiación UV | Luz de sol | 5.000 J / m 2 [17] | Deinococcus radiodurans , Rubrobacter , Thermococcus gammatolerans |
Alta presión | Fosa de las Marianas | 1.100 bar [17] | Pyrococcus sp. |
Salinidad | Alta concentración de sal | a w ~ 0.6 [17] | Halobacteriaceae , Dunaliella salina |
Desecación | Desierto de Atacama (Chile), Valles Secos de McMurdo (Antártida) | ~ 60% de humedad relativa [17] | Chroococcidiopsis |
Corteza profunda | accedido en algunas minas de oro | Halicephalobus mephisto , Mylonchulus brachyurus , artrópodos no identificados |
Clasificaciones
Hay muchas clases de extremófilos que se distribuyen por todo el mundo; cada uno corresponde a la forma en que su nicho ambiental difiere de las condiciones mesófilas. Estas clasificaciones no son exclusivas. Muchos extremófilos caen en múltiples 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 termófilos y piezofílicos como Thermococcus barophilus . [19] 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 tanto altos como bajos . [20]
Condiciones
- Acidófilo
- Un organismo con un crecimiento óptimo a niveles de pH de 3.0 o menos.
- Alcalifilo
- Un organismo con un crecimiento óptimo a niveles de pH de 9.0 o superiores.
- Anaerobio
- Un organismo con un crecimiento óptimo en ausencia de oxígeno molecular . Existen dos subtipos: anaerobio facultativo y anaerobio obligado . Un anaerobio facultativo puede tolerar condiciones anóxicas y óxicas, mientras que un anaerobio obligado morirá en presencia de niveles incluso bajos de oxígeno molecular.
Capnófilo
Un organismo con condiciones óptimas de crecimiento en altas concentraciones de dióxido de carbono. Un ejemplo sería Mannheimia succiniciproducens , una bacteria que habita en el sistema digestivo de un animal rumiante. [21]
- Criptoendolito
- Un organismo que vive en espacios microscópicos dentro de las rocas, como los poros entre los granos agregados. Estos también pueden llamarse endolitos , un término que también incluye organismos que pueblan fisuras, acuíferos y fallas llenas de agua subterránea en el subsuelo profundo.
- Halófilo
- Un organismo con crecimiento óptimo a una concentración de sales disueltas de 50 g / L (= 5% m / v) o superior.
- Hiperpiezofilo
- Un organismo con crecimiento óptimo a presiones hidrostáticas superiores a 50 MPa (= 493 atm = 7,252 psi).
- Hipertermófilo
- Un organismo con crecimiento óptimo a temperaturas superiores a 80 ° C (176 ° F).
- Hipolito
- Un organismo que vive debajo de las rocas en los desiertos fríos .
- Tolerantes a los metales
- Capaz de tolerar altos niveles de metales pesados disueltos en solución, como cobre , cadmio , arsénico y zinc . Los ejemplos incluyen Ferroplasma sp., Cupriavidus metallidurans y GFAJ-1 . [22] [23] [24]
- Oligotrofo
- Un organismo con crecimiento óptimo en ambientes nutricionalmente limitados.
- Osmófilo
- Un organismo con un crecimiento óptimo en ambientes con alta concentración de azúcares.
- Piezofilo
- Un organismo con crecimiento óptimo en presiones hidrostáticas superiores a 10 MPa (= 99 atm = 1450 psi). También conocido como barófilo .
- Poliextremófilo
- Un poliextremófilo (falso latín / griego antiguo para 'afecto por muchos extremos') es un organismo que califica como extremófilo en más de una categoría.
- Psychrophile / cryophile
- Un organismo con crecimiento óptimo a temperaturas de 15 ° C (59 ° F) o menos.
- Radiorresistente
- Organismos resistentes a altos niveles de radiación ionizante , más comúnmente radiación ultravioleta. Esta categoría también incluye organismos capaces de resistir la radiación nuclear .:
Sulfófilo
Un organismo con óptimas condiciones de crecimiento en altas concentraciones de azufre. Un ejemplo sería Sulfurovum Epsilonproteobacteria , una bacteria oxidante de azufre que habita en respiraderos de azufre de aguas profundas. [25]
- Termófilo
- Un organismo con crecimiento óptimo a temperaturas superiores a 45 ° C (113 ° F).
- Xerófilo
- Un organismo con un crecimiento óptimo con una actividad del agua por debajo de 0,8.
En astrobiología
La astrobiología es el estudio del origen , evolución , distribución y futuro de la vida en el universo : vida extraterrestre y vida en la Tierra . 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. [26] Los astrobiólogos están particularmente interesados en estudiar extremófilos, ya que les permite mapear lo que se sabe sobre los límites de la vida en la Tierra a posibles entornos extraterrestres [1] Por ejemplo, desiertos análogos de la Antártida están expuestos a radiación ultravioleta dañina , baja temperatura , alta concentración de sal y baja 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. Las investigaciones indican que es poco probable que existan microbios marcianos en la superficie o en profundidades poco profundas, pero se pueden encontrar en profundidades subsuperficiales de alrededor de 100 metros. [27]
Una investigación reciente llevada a cabo sobre extremófilos en Japón involucró a una variedad de bacterias, incluidas Escherichia coli y Paracoccus denitrificans, que estaban sujetas a condiciones de gravedad extrema. 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 hiperacceleración que generalmente se encuentran solo en ambientes cósmicos, como en estrellas muy masivas o en las ondas de choque de las supernovas . El análisis mostró que el pequeño tamaño de las células procariotas es esencial para un crecimiento exitoso en condiciones de hipergravedad . La investigación tiene implicaciones sobre la viabilidad de la panspermia . [28] [29] [30]
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). [31] [32]
El 29 de abril de 2013, los científicos del Instituto Politécnico Rensselaer , financiado por la NASA , informaron que, durante el vuelo espacial en la Estación Espacial Internacional , los microbios parecen adaptarse al entorno espacial de formas "no observadas en la Tierra" y de formas que "pueden conducir a aumenta el crecimiento y la virulencia ". [33]
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 blancas de montaje de naves espaciales . Actualmente no se sabe si estos microbios resistentes podrían haber resistido los viajes espaciales y están presentes en el rover Curiosity ahora en el planeta Marte. [34]
El 20 de agosto de 2014, los científicos confirmaron la existencia de microorganismos que viven a 800 metros por debajo del hielo de la Antártida . [35] [36]
En septiembre de 2015, científicos del CNR-National Research Council of Italy informaron que S.soflataricus pudo sobrevivir bajo la radiación marciana a una longitud de onda que se consideraba 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 radiación ultravioleta fuerte. [37]
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 desaceleraciones extremas. Señalaron que esta característica podría permitir que las endosporas sobrevivan y se transfieran entre planetas viajando dentro de los meteoritos o experimentando una alteración de la atmósfera. Además, sugirieron que el aterrizaje de una nave espacial también puede resultar en la transferencia de esporas interplanetarias, dado que las esporas pueden sobrevivir al 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. [38]
En agosto de 2020, los científicos informaron que las bacterias que se alimentan del aire descubiertas en 2017 en la Antártida probablemente no se limitan 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 esto. sumidero de carbono y refuerza aún más la evidencia extremófila que respalda la posible existencia de vida microbiana en planetas alienígenas. [39] [40] [41]
El mismo mes, los científicos informaron que las bacterias de la Tierra, en particular Deinococcus radiodurans , sobrevivieron durante tres años en el espacio exterior , según estudios de la Estación Espacial Internacional . Estos hallazgos apoyan la noción de panspermia . [42] [43]
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 de aguas profundas. [44] Si bien la mayoría de las bacterias serían aplastadas por la presión en estos entornos, los piezófilos pueden tolerar estas profundidades y pueden metabolizar los contaminantes de interés si poseen potencial de biorremediación.
Hidrocarburos
Existen múltiples destinos potenciales para los hidrocarburos después de que un derrame de petróleo se ha asentado y las corrientes los depositan rutinariamente 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 tan altas como 183 μ mol por kilogramo. [45] 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 las especies de Pseudomonas , Aeromonas y Vibrio, son capaces de biorremediación, aunque a una décima parte de la velocidad a la que se comportarían a la presión del nivel del mar. [46] Los hidrocarburos aromáticos policíclicos aumentan en solubilidad y biodisponibilidad al aumentar la temperatura. [ cita requerida ] Las especies termófilas Thermus y Bacillus han demostrado una mayor expresión génica para el alcano monooxigenasa alkB a temperaturas superiores a 60 ° C. [ cita requerida ] La expresión de este gen es un precursor crucial del proceso de biorremediación. Se ha demostrado que los hongos que se han modificado genéticamente con enzimas adaptadas al frío para tolerar diferentes niveles de pH y temperaturas son eficaces para remediar la contaminación por hidrocarburos en condiciones de congelación en la Antártida. [47]
Rieles
Se ha demostrado que Acidithiubacillus ferroxidans es eficaz para remediar el mercurio en suelos ácidos debido a que sugen merA lo hace resistente al mercurio. [48] Los efluentes industriales contienen altos niveles de metales que pueden ser perjudiciales para la salud humana y del ecosistema. [49] [50] En ambientes de calor extremo,se ha demostrado queel extremófilo Geobacillus thermodenitrificans maneja eficazmente la concentración de estos metales dentro de las doce horas posteriores a su introducción. [51] Algunos microorganismos acidófilos son efectivos en la remediación de metales en ambientes ácidos debido a las proteínas que se encuentran en su periplasma, no presentes en ningún organismo mesófilo, lo que les permite protegerse de altas concentraciones de protones. [52] Los arrozales son ambientes altamente oxidativos que pueden producir altos niveles de plomo o cadmio. Deinococcus radiodurans son resistentes a las duras condiciones del medio ambiente y, por lo tanto, son especies candidatas para limitar el grado de contaminación de estos metales. [53]
Drenaje de ácido minero
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 mediante la introducción del organismo extremófilo Thiobacillus ferrooxidans . [54]
Materiales radioactivos
Cualquier bacteria capaz de habitar medios radiactivos puede clasificarse como extremófilo. Por tanto, los organismos resistentes a la radiación son fundamentales en la biorremediación de radionucleidos. El uranio es particularmente difícil de contener cuando se libera en un medio ambiente y muy dañino para la salud humana y del ecosistema. [55] [56] El proyecto NANOBINDERS está equipando bacterias que pueden sobrevivir en ambientes ricos en uranio con secuencias de genes que permiten que las proteínas se unan al uranio en el efluente de la minería, lo que hace que sea más conveniente recolectarlo y eliminarlo. [57]
Ejemplos y hallazgos recientes
Con frecuencia se identifican nuevos subtipos de -filos y la lista de subcategorías de 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 10 6 y 10 7 células / gramo. [58] [59] Del mismo modo, hasta hace poco tiempo se desconocía la tolerancia al boro, pero se descubrió un borófilo fuerte en las bacterias. Con el reciente aislamiento de Bacillus boroniphilus , los borófilos entraron en discusión. [60] El estudio de estos borófilos puede ayudar a esclarecer los mecanismos tanto de la toxicidad del boro como de la deficiencia de boro.
En julio de 2019, un estudio científico de la mina Kidd en Canadá descubrió organismos que respiran azufre que viven 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 fuente de alimento habitual. [61] [62] [63]
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 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, T. brockianus catalasa 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, blanqueo de textiles, pasteurización de alimentos y descontaminación de superficies de envases de alimentos. [64]
Varias empresas biotecnológicas producen enzimas modificadoras del ADN, como la ADN polimerasa Taq y algunas enzimas Bacillus utilizadas en diagnósticos clínicos y licuefacción de almidón. [sesenta y cinco]
Transferencia de ADN
Se sabe que más de 65 especies procariotas son naturalmente competentes para la transformación genética, la capacidad de transferir ADN de una célula a otra célula seguida de la integración del ADN del donante en el cromosoma de la célula receptora. [66] 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 esta capacidad entre los extremófilos.
La bacteria Deinococcus radiodurans es uno de los organismos más radiorresistentes conocidos. Esta bacteria también puede sobrevivir al frío, la deshidratación, el vacío y el ácido, por lo que se la conoce como poliextremófilo. D. radiodurans es competente para realizar la transformación genética . [67] Las células receptoras son capaces de reparar el daño del ADN en el ADN transformador del donante que había sido irradiado con UV tan eficientemente como reparan el ADN celular cuando las células mismas son irradiadas. La bacteria termófila extrema Thermus thermophilus y otras especies relacionadas de Thermus también son capaces de transformación genética. [68]
Halobacterium volcanii , una arqueona halófila extrema (tolerante a la solución salina ), es capaz de una transformación genética natural. Se forman puentes citoplásmicos entre células que parecen utilizarse para la transferencia de ADN de una célula a otra en cualquier dirección. [69]
Sulfolobus solfataricus y Sulfolobus acidocaldarius son arqueas hipertermófilas. La exposición de estos organismos a los agentes que dañan el ADN, la irradiación UV, la bleomicina o la mitomicina C induce la agregación celular específica de la especie. [70] [71] La agregación celular inducida por UV de S. acidocaldarius media el intercambio de marcadores cromosómicos con alta frecuencia. [71] Las tasas de recombinación superan las de los cultivos no inducidos hasta en tres órdenes de magnitud. Frols y col. [70] y Ajon et al. [71] planteó la hipótesis de que la agregación celular mejora la transferencia de ADN específico de la especie entre lascélulas de Sulfolobus para reparar el ADN dañado por medio de la recombinación homóloga. Van Wolferen y col. [72] 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 bacteriana más estudiados que involucran la transferencia de ADN específica de la especie que conduce a la reparación recombinacional homóloga del daño del ADN (y ver Transformación (genética) ). [ cita requerida ]
Las vesículas de la membrana extracelular (MV) podrían estar involucradas en la transferencia de ADN entre diferentes especies de arqueas hipertermófilas. [73] Se ha demostrado que tanto los plásmidos [74] como los genomas virales [73] pueden transferirse a través de VM. En particular, se ha documentado una transferencia de plásmido horizontal entre las especies hipertermófilas Thermococcus y Methanocaldococcus , pertenecientes respectivamente a los órdenes Thermococcales y Methanococcales . [75]
Ver también
- Microorganismos disimiladores reductores de metales
- Extremotrofo
- Lista de microorganismos probados en el espacio ultraterrestre
- Proyecto RISE
- Tardígrado
Referencias
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enlaces externos
- Ambientes extremos - Centro de recursos para la educación científica
- Investigación extremófila
- Eucariotas en ambientes extremos
- El Centro de Investigación de Extremófilos
- Enciclopedia de astrobiología, astronomía y vuelos espaciales de DaveDarling
- La Sociedad Internacional de Extremófilos
- Laboratorio Nacional de Idaho
- Poliextremófilo en la enciclopedia de astrobiología, astronomía y vuelos espaciales de David Darling
- Expedición T-Limit