EKSTREM CANLILAR EKSTREMOFİL NEDİR? Ekstrem ortamlarda yaşayan organizmalara ekstremofil denir eğer bir organizma birden fazla ekstrem ortamda yaşıyorsa bu canlı poliekstremofildir.örneğin bir poliekstremofil olan Sulfalobus acidocaldirius ph3 ve 80 0 C de yaşar.ekstremofillerin büyük bir kısmı Archea ve Bacteriadadır. Ekstrem koşullar fiziksel,kimyasal ve biyolojik eskrtem koşullar olmak üzere 3 kısımda incelenebilir. Resim 1:Sulfalobus acidocaldirius EKSTREM KOŞULLAR 1)SICAKLIK Suda eriyebilen gazlar sıcaklıkla birlikte O 2 ve CO 2 ye ihtiyacı olan organizmalar için sorun yaratmaktadır. Sıcaklık 100 0 C ye yaklaştığında proteinler,nükleik asitler denatüre olurlar ve membrandaki akışkanlık artar.klorofil fotosentez dışında 75 0 C üzerinde indirgenir. Doğadaki canlılar,sıcaklığa uyumlarına göre, hipertermofilikten psikofirike doğru sıralanabilir.örneğin hipertermofilik organizmalar 85 0 C üzerinde çok iyi gelişirler. En hipertermofilik organizmalar archeadadır.örneğin Pyrolobus fumarii sıcaklığı 113 0 C ye varan ortamlarda yaşayabilir.yüksek sıcaklıklar bu canlıların enzimleri için optimum sıcaklıklardır.örneğin amilobitik enzim için optimum sıcaklık 142 0 C dir.
ÇEVRESEL PARAMETRE TİP ARALIK ÖRNEK hipertermofil >80 pyrobbus fumarii,113 SICAKLIK termofil 60-80 Synechococcus livids mezofil 15-60 homo sapiens psikorofil <15 Psychrobacter,bazı böcekler Tablo 1:Organizmaların sıcaklığa uyumlarına göre sınıflandırılması Termofiller arasında fototrofik bakteriler,öbakteriler ve archea vardır.ökaryot hücre yapısına sahip canlılar için limit 60 0 C,bu sıcaklık algler,protozalar ve fungiler içinde uygundur. 0 o C nin altında yaşayan birçok canlı vardır.birçok mikrop kendini -196 0 C ye kadar koruyabilir fakat aktif olarak -18C de yaşadığı görülmüştür. 2)RADYASYON Ekstremofillerin yaşadığı radyasyon seviyeleri dünyada çok nadir görülür fakat UV ışınları ve iyonize radyasyon birçok alan için önemli olduğundan üzerinde çok çalışılmıştır.uv ve iyonize radyasyon en fazla ve enciddi zararı DNA ve nükleik asitlere verir. Bir bakteri olan Deinococcus radiodurans 20kGy gama radyasyon seviyesine ve 1000 j m -2 UV radyasyonuna karşı koyabilir.ayrıca Rubrobakteri türleri ve yeşil bir alg olan Dunalialla radiodurans yüksek radyasyon seviyelerine karşı koyabilirler. 3)BASINÇ Hominidler 1 kp A basınçta gelişmiş ve evrimleşmiştir.aynı zamanda suda yaşayan atalarımız hidrostatik basınca uyum sağlamıştır. Basınç yüksek kesimlere çıkıldıkça azalır.denizden 10km yükseklikte ölçülen basıç deniz seviyesinin çeyreği kadardır. Basınç,yağ paketlerini sıkıştırır ve membran akışkanlığını azaltır.eğer bir kimyasal reaksiyon hacim olarak artma ile sonuçlanıyorsa genellikle bu basınç artışıyla durdurulur.birçok organizma yüksek basınca adapte olmuş olabilir fakat ani basınç değişikleri öldürücü olabilir. Mariuan çukuru dünyanın en derin deniz tabanıdır(10898m).bu çukur stantart sıcaklık ve basınçta yaşayan canlıları barındırdığı gibi 70-80mP A yaşayabilen pizefilik türleride barındırır.
ÇEVRESEL PARAMETRE TİP TANIM ÖRNEK BASINÇ BAROFİL AĞIRLIK SEVEN BİLİNMİYOR PİEZOFİL BASINÇ SEVEN MİKROPLAR İÇİN,130mPa 4)KURULUK Su birçok özelliğe sahip olmakla birlikte hayat için en temel çözücüdür.su yüksek kaynama ve erime noktasına sahip olmakla birlikte geniş sıcaklık aralığında likit kalması ve yüksek dielektrik kapasitesi çözücülüğü için önemlidir.bazı organizmalar ekstrem kuru koşullara uyum sağlamışlardır,bu organizmalar anhidrobioz olarak nitelendirilirler.bazı bakteriler,böcekler ve bir karides olan Artemia salina bu canlılar içindedir. 5)TUZ Tuzluluk oranı yüksek olan ortamlarda yaşayan canlılar halofillerdir.halofilik canlılar yaşamak için yüksek iyonik gereksinimleri vardır ve bunu yüksek konsantrasyonlu tuz çözeltilerinden sağlarlar.bir halofil ozmotik gerilimin üstesinden gelmelidir.halofillerin içinde mikroplar,arcehealar,siyanobakteriler ve yeşil bir alg olan Dunaliella salina vardır. Resim 2:Dunaliella salina
6)pH ph log[h + ] olarak tanımlanır.biyolojik süreçte ph spektrumunun orta seviyelerine doğru yönelim vardır,intraselüler ve çevresel ph genelde bu seviyelerde kalır.örneğin deniz suyunun ph si 8,2 dir. Asidofiller düşük ph ta yaşarlar.balıklar ve siyanobakteriler ph 4 ün altında görülmemiştir.bazı üniselular ökaryotların ph 1 seviyelerinde yaşadığı görülmüştür. Bu durumun en iyi örneği kırmızı bir alg olan Cyanidium caldariumdur.bu algin ph 0,5 altında yaşadığı ve ph 2-3 arasında geliştiği görülmüştür.yeşil bir alg olan Dunaliella acidophila ph 0 da yaşar ve maksimum ph 1 de gelişir.mantarlardan Acontium cylatium,cephalosporium sp. Ve Trichosporon cerebriae nin büyümesi ve gelişmesi ph 0 civarındadır. Archeada ekstrem ortamlarda gelişebilir.aerobik heterotroflarda olan Picrophilus oshimae ve Picrophilus torridus solfatarik gazların sızdığı Japon topraklarında görülmüşlerdir ve gelişmeleri ph 0,7 civarındadır.bir diğer asidofil Ferreplasma acidormanus İron Dağlarında bir madenin asit kanalizasyonunda bulunmuştur ve gelişimin ph 0 civarlarınd aolduğu keşfedilmiştir. Bir asidofil yüksek seviyede bakır,arsenik,kadmiyum ve çinko ortamlarında yaşar ve koruyucu yapı olarak sadece hücre membranı vardır.hücre duvarı bile yoktur. Alkalifiller yüksek ph ta yaşarlar.bunun güzel bir örneği bacteriadan Bacillus firmus OF4 tür. ÇEVRESEL PARAMETRE TİP TANIM ÖRNEK ph ASİDOFİL ph>9 Bacillus firmus OF4 BAROFİL düşük ph Cyanidum caldarium Resim 3:Cyanidium caldarium Resim 4:Dunaliella acidophila Resim 5:Ferroplasma acidarmanus
7)DİĞER EKSTREM KOŞULLAR Biraz yaratıcı düşünce başka fiziksel ve kimyasal ekstrem ortamların varlığını düşündürür.bu ekstrem ortamlar gaz bileşimleri,toksik veya sentetik bileşimler veya ağır metal bileşimleri dahil edilebilir. BUNU NASIL BAŞARIYORLAR? Bir organizma için fonksiyonunu sürdürmek tehlikelidir ve bunu için en iyi yaklaşım kendini çevreden korumaktır. Nasıl başarıyorlar sorusuna cevabı bulmak için araştırmalar 3 molekül üzerinde yoğunlaşıyor. Nükleik asitler,membran lipitleri ve proteinler. 1)YÜKSEK SICAKLIĞA ADAPTASYON Yüksek sıcaklık membranların akışkanlığını arttırır. Optimum membran akışkanlığını sürdürmek için, hücre lipitlerin türünü ve miktarını ayarlamak zorundadır. Sıcaklık ayrıca proteinlerin yapısına ve fonksiyonuna zarar verir. Proteinlerin yüksek sıcaklığın üstesinden gelmek için geliştirdiği yollar artan iyon çifti içeriği, yüksek-düzenli oligomerleri şekillendirme, oda sıcaklığında akışkanlığı azaltmadır. Ayrıca yüzey bağlantılarının uzunluklarını azaltmakta vardır.bu bağlantılar ikincil yapının başlangıcı ile bağlantı kurarlar,elektrostatik ve hidrofilik etkileşimleri optimize ederler, amino asitleri değiş tokuş ederek iç hidrofobikliği ve kalan helix eğilimini arttırırlar. DNA yüksek sıcaklıkta denatürizasyona ya da kimyasal modifikasyona eğilim gösterir. Bir hipertermofil olan Pyroccoccus furiosus bir mezofil olan E. coli ye oranla DNA larının yüksek sıcaklığa daha uyumlu olduğu biliniyor. Monovalent ve divalent tuzlar nükleik asitlerin stabileliğini arttırırlar çünkü bu tuzlar fosfatların (-) kutuplarını korurlar ve çünkü KCl ve MgCl 2 DNA yı depürinizasyondan ve hizdrolizden korur. G-C nükleik asit çifti aralarındaki hidrojen bağlarından dolayı A-U veya A-T nükleik asit çiftlerinden daha termostabildir. Fakat yükseltilmiş G+C oranı termofilik prokaryotlarda görülmez. DNA nın sağlamlığı ayrıca rrna ve trna ların G+C içeriğiylede alakalıdır. 2)DÜŞÜK SICAKLIĞA ADAPTASYON Membranın akışkanlığı sıcaklığın azalmasıyla azalır. Buna karşılık olarak organizmalar doymamış yağ asidi oranlarını doymuş yağ asidi olarak yükseltgerler.
Düşük sıcaklığa dayanma yeteneği olan organizmaların iki stratejisi vardır; hücreleri donmaktan koruyarak buz oluşumunu engellemek, eğer buz oluşmuşsa erime esnasında gelebilecek zararlarda koruma. Proteinler bu iki oluşumu da kullanırlar ve antifiriz moleküllerine sahiptirler. Bu moleküller histeresis oluşumuna izin vermezler. Bu moleküller suyun donma noktasını 8-18 0 C düşürürler. Ekstraselüler suyun donması kış boyunca hücreyi korur ve bu yol kurbağaların, kaplumbağaların ve yılanların küçük bir bölümünde görülür. Düşük sıcaklıklarda düşük seviyelerde serbest enerji vardır, bu yüzden aktivasyon enerjisini düşürmek için bir enzimin substratıyla yüksek derecede tamamlayıcı uyumluluğa sahip olması gerekir. Alteromonas haloplanctis in a-amilaz enzimi üzerinde yapılan bazı çalışmalar bu hipotezi destekliyor. Resim 6: a-amilaz 3)RADYASYON VE OKSİDATİF ZARAR Çevresel zararları uzaklaştırmak ya da onarmak için antioksidan ve detoksif maddeler üretime dâhil edilir. D.radiodurans parçalanmış DNA parçalarını bir araya sokan bir tamir mekanizmasına sahiptir. 4)BASINÇ Basınç arttığında ya da sıcaklık azaldığında, lipit membranındaki moleküller daha sıkı paketlenir ve böylece membranın akışkanlığı azalır. Organizmalar bu problemden genellikle doymamış yağ asitlerinin oranını arttırarak kaçınırlar. Basınç ayrıca enzimlerin sağlamlığını da arttırır.
Yüksek basınç DNA ve proteinlere dikkate değer zarar verir, öyleyse hayatta kalmak yüksek oranda onarım ya da zarardan kaçınmayı gerektiriyor. 5)TUZLULUK VE KURULUK Birçok mikroorganizma sitosollerindeki ozmotikliği biriktirerek ozmolaritesini yükseltmede iyidirler. Bu da mikroorganizmaları sitoplazmik dehidrasyondan ve kuraklıktan korur. Ozmotik konsantrasyon kuraklık boyunca yükselir yani bu duruma cevaplar yüksek tuz çözeltilerindeki gibi olur. Proteinlerden toplanan uyumlu çözeltiler(k +,glutamat,glutamin,prolin,glisin betain,sükroz ve troloz) yakındaki suya etki eder ve böylece onlarla uyum sağlarlar.sonuç olarak kuru membranlarla uyum sağlayabilirler. DNA boşluklarda kuruluk seviyelerinin artmasıyla zarar görür. 6)pH Ekstrem ph da yaşaya organizmalar, sitoplazmalarını mezofilik organizmalarla aynı seviyede tutması gerekir,böylece değişen iç fizyoloji isteğinin üstesinden gelir.aktif mekanizmaların bunu geliştirebilmeleri membran birleştirici antiportlar tarafından kavranan ikincil bir proton gerektirebilir.pasif mekanizmalar alkalifillerde negatif yüklenmiş bir hücre duvarı içeririler,ve ender bioenerji,ender geçirgenlik niteliği,yüzeyi (+) yükleme,taşıyıcı enzimler ve tek taşıma da asidofiller içindir. EKTREMOFİLLERİN ENDÜSTRİDE VE BİYOTEKNOLOJİDEKİ ÖRNEKLERİ ENDÜSTİRİAL YÖNTEM BİYOMÖLEKÜL AVANTAJ ALINAN ORGANİZMA kağıt beyazlatma xylanases istenilen beyazlatma miktarını düşürür termofiller PCR reaksiyonu DNA polimeraz her döngüde ek bir enzime gerek kalmaz termofiller deterjanlardaki polimerlerin azaltılması selülaz,proteaz,amilaz deterjanların performansını arttırır psikrofiller kömürün desülfürizasyonu sülfür oksidasyonu asidofiller yiyecek renklendirilmesi karoten geliştirilmesi ucuz halofiller,dunaliella biyosensörler dehizdrojenaz psikrofiller süt üretimi doğal proteazlar düşük sıcaklıklara uyumlu psikrofiller antibiyotik üretimi antibiyotikler alkalifiller TABLO:EKSTREMOFİLLERİN BİYOTEKNOLOJİ VE ENDÜSTRİDEKİ AVANTAJLARI VE ÖRNEKLERİ