ekstremofile organismer

De fleste proteiner blir ødelagt (denaturert) ved høye temperaturer fordi den tredimensjonale strukturen svekkes slik at proteinene ikke lenger fungerer. Hypertermofile organismer må dermed gjøre noen molekylære tilpasninger for å tåle de høye temperaturene. Proteinene i disse organismene er ikke vesentlig forskjellige fra tilsvarende proteiner hos ikke-termofile organismer. De har imidlertid en sammensetning av aminosyrer som gjør dem tettere pakket og mer vannavstøtende (hydrofobe) enn hos ikke-termofile. De har også flere ionebindinger (saltbroer) på overflaten. I tillegg har de spesielle varmesjokkproteiner, kalt chaperoner som hjelper til med å folde proteinene korrekt når de syntetiseres og som kan folde proteinet tilbake til sin opprinnelige struktur hvis de skulle bli denaturert.

Membranen hos hypertermofile organismer har ikke det samme doble laget av fosfolipider som andre organismer har, men har derimot et gjennomgående enkelt lag som er bundet sammen av sterke bindinger.

Både arvematerialet og ribosomene hos hypertermofile organismer er beskyttet mot høy temperatur ved hjelp av små, stabiliserende molekyler som for eksempel spermidin. Dessuten har ribosomene en betydelig høyere andel av CG (cytosin-guanin) baser i sine RNA-molekyler, mens DNA-molekylene ikke skiller seg fra andre. Bindingen mellom C og G i nukleinsyrene er som kjent sterkere enn mellom A (adenin) og T (tymin eller U for uracil).

Enzymene hos termofile organismer blir ikke ødelagt ved høye temperaturer og blir mye brukt i industriell og annen sammenheng. Vaskemidler inneholder for eksempel enzymer fra slike organismer.

Det mest kjente og beste eksempelet på bruken av et hypertermofilt enzym er Taq-polymerase som er isolert fra den hypertermofile bakterien Thermus aquaticus. Taq-polymerase tåler 95°C og blir brukt i PCR (polymerase chain reaction) for å kopiere opp DNA. I det første trinnet i PCR varmes DNA-prøven opp til 95°C for at de to trådene skal gå fra hverandre. Deretter brukes en polymerase for å danne nytt DNA. Bruken av PCR ble revolusjonert og altomfattende da det ble mulig å bruke en termostabil polymerase i reaksjonsblandingen.

Proteinene hos psykrofile organismer er løsere pakket enn hos organismer som vokser ved høyere temperaturer. Proteinene er dermed mer fleksible og krever mindre energi for å fungere enn proteiner fra mesofile og termofile organismer. Membranene har stor fluiditet fordi de er rike på umettede fettsyrer, og i tillegg inneholder cellene antifrysestoffer og kuldebeskyttende molekyler.

Cellemembranen ser ut til å være av stor betydning for ekstremt acidofile organismer. Hvis organismen utsettes for høyere pH, ødelegges cellen og den sprekker. Det kan tyde på at høy konsentrasjon av protoner (H⁺-ioner) inne i cellen er absolutt nødvendig for å opprettholde stabilitet.

De ekstremt alkalifile har dårlig tilgang på protoner og bruker en Na⁺-pumpe istedenfor en protonpumpe i energikrevende reaksjoner.

DNA-syntese, proteinsyntese og transport av næring og avfallsstoffer påvirkes av høyt trykk. Vi kjenner kun til noen av tilpasningene som gjør at disse organismene kan overleve høyt trykk. De er ikke bare barofile, men også psykrofile fordi temperaturen på havbunnen er 2°C. De har en større andel av umettede fettsyrer i membranene som øker fluiditeten og hindrer at de stivner.

Det er gjort forsøk med Gram-negative, barofile bakterier som blir utsatt for stadig økende trykk. Forsøkene viste at når trykket blir ekstremt høyt, så danner organismene spesielle proteiner som erstatter de vanlige porene i den ytre membranen.

Ekstremt halofile er avhengige av store mengder Na⁺-ioner i omgivelsene for å vokse. For at konsentrasjonen av disse ionene ikke skal bli for høy inne i cellen, pumper de Na⁺ ut. Samtidig pumper de inn store mengder K⁺ -ioner for å opprettholde den osmotiske balansen med omgivelsene. Dessuten har proteinene et høyt innhold av negativt ladde aminosyrer, som binder Na⁺.

Celleveggen hos Halobacterium består av glykoproteiner som stabiliseres av Na⁺-ioner. Ved mangel på Na⁺, ødelegges strukturen og cellen sprekker. De halofile organismene er kjemoheterotrofe og lever på aminosyrer eller andre syrer.

Halobacterium har dessuten en helt spesiell form for fotosyntese. Den inneholder ikke klorofyll, men under forhold med lav konsentrasjon av O₂, produserer Halobacterium en såkalt purpurmembran med store mengder av et protein, bakteriorhodopsin, som er bundet til retinal. Når retinal absorberer lys med bølgelengde 570 nm (grønt lys) frigjøres protoner som forflyttes over cellemembranen. Bakteriorhodopsinet fungerer dermed som en protonpumpe og forårsaker en protongradient som i sin tur brukes til å produsere energi i form av ATP. Denne formen for fotosyntese er helt spesiell for Halobacterium og er ikke forbundet med fiksering av CO₂.

Forskerne som først krystalliserte bakteriorhodopsin og beskrev den tredimensjonale strukturen av proteinet, fikk Nobelprisen i kjemi i 1988. Stoffet er forholdsvis lett å isolere i store mengder og kan omdanne sollys til en elektrokjemisk gradient eller til elektrisitet – en egenskap som gjør stoffet nyttig innenfor forsking, optisk industri og medisin.

Når D. radiodurans eller andre levende organismer utsettes for høy stråling eller sterk tørke, brytes arvestoffet, DNA-molekylene, opp i biter. De fleste bakterier har arvestoffet samlet på ett ringformet kromosom mens D. radiodurans har arvestoffet fordelt på to sirkulære kromosomer. I tillegg er det mellom fire og ti kopier av de sirkulære kromosomene, derfor kan bakterien klare seg godt selv om flere av kopiene blir sterkt skadet. Bakterien har også et protein, Rec A, som uhyre effektivt reparerer skader på DNA.

Deinococcus radiodurans har vist seg å være nyttig for samfunnet. Mange steder er det et problem å bli kvitt farlig avfall, som for eksempel inneholder metaller og giftige forbindelser. En måte å fjerne slikt avfall er å bruke mikroorganismer som bryter ned det farlige avfallet til ufarlige forbindelser. Dette kalles bioremediering. Slikt avfall finnes ofte på steder med sterk stråling, som dreper de bakteriene som vanligvis brukes til å fjerne avfall. D. radiodurans derimot tåler den sterke strålingen og har vært brukt praktisk til dette formålet. Med utgangspunkt i D. radiodurans er det konstruert en superbakterie som tåler sterk stråling, og kan bryte ned mange giftige forbindelser. Superbakterien fjerner ikke strålingen, men sørger for at man blir kvitt uønskede forbindelser.