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7/25/2019 Extremfilos.pdf

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Extremfilos

- Definicin

- Clasificacin segn el ambiente en el que se desarrollan

- Importancia de sus estudio

- Adaptaciones moleculares y fisiolgicas (salinidad, pH y temperaturas

extremas).

- Aplicaciones de los microorganismos extremfilos y sus biomolculas


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Qu es un Extremfilo?


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Presentan adaptaciones en sus biomolculas y mecanismos moleculares

que aseguran el mantenimiento del flujo metablico en condiciones

consideradas abiolgicas. Condiciones regulares: 37 C, pH 7.4, 1 at

(101.3 kPa), 0.15-0.6 M sales.

La gran mayora de los extremfilos son procariotas: simplicidadestructural (mayor adaptabilidad) y flexibilidad metablica.

Los ms extremfilos pertenecen al dominioArchaea

Extremfilos

Organismos que durante la evolucin se han adaptado a vivir y desarrollar

su mayor potencial en ambientes extremos.

Condiciones normales o fisiolgicas : 37 C, 1 atm, pH 7.4, salinidad

0.9-0.3 %


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Por qu resulta de inters su estudio?

- Aportan al conocimiento de procesos celulares fundamentales.

Ej. estabilidad de las biomolculas

- Aportan a la Evolucin de los organismos.

- Representan un recurso valioso para aplicaciones biotecnolgias e

industriales.

- Abren nuevos campos de investigacin. Ej.Astrobiologa


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Poliextremfilo: organismo que vive en mas de una condiciones extrema.

arquea termocidfila Sulfolobus acidocaldarius, pH 3-80 C.

arquea haloalcalfila Natrialba magadii, 3.5 M NaCl, pH 10

Extremfilo verdadero (obligado) requiere una o mas condiciones extremas

Extremfilo facultativo tolera condiciones extremas, crece ptimamente encondiciones normales


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Clasificacin

de los extremfilos

segn parametro

ambiental

Rothschild, Nature 2001


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Ecosistemas de temperatura extrema: Sitios volcnicos terrestres y

sistemas hidrotermales submarinos

Yellowstone National Park(USA).pH 3, 80 C

De alli Tom Brock aislo la arquea

termoacidofila Sulfolobus

acidocaldarius

Yellowstone National Park(USA), 80 C

Bacteria termofila Thermus aquaticus

(Tom Brock )

Reaccion

PCR


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Ecosistemas cidos: Rio Tinto (Espaa), pH 1.5-3, alta concentracin

de sulfatos, Fe3+, metales pesados (Zn2+, Cu2+)

Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum sp, Thermoplasma acidophilum

Aplicacin de acidfilos en Biomineria: remocin de metales a partir de sulfurosmetlicos


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Halfilos

Halfilos: organismos que dependen de altas concentraciones de sal para vivir

Halotolerantes: viven en un amplio rango de concentracin salina


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Ecosistemas halfilos

Great Salt Lake, Utah (USA)Concentracin salina prxima a

saturacin (5 .3 M NaCl) similar

composicin salina que agua de mar

Halobacterium spDead Sea, medio Oriente.Concentracin salina (5 .3 M NaCl) .

Alta concentracin Mg 2+

Haloarcula marismortuiHaloferax volcanii


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Salar de la Laguna Verde (a) y

Laguna Vilama (b) a ~4,500 mt

sobre el nivel del mar, hipersalinos

y con alta concentracin de

arsnico

Ecosistemas extremos del Noroeste de los Andes argentinos

ME Faras y col. Appl Environ. Microbiol,

74: 5867-5874 (2008)


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Halfilos

No halfilo : hasta 0.2 M sal

Levemente halfilo: 0.2-1.2 M sal

Halfilo moderados: 1.2-2.5 M sal

Halfi los extremos: > 2.5 M sal (~20-30 %). La mayora son arqueas.

Halotolerantes: viven en un amplio rango de concentracin salina

Agua de mar ~0.5 M (3%)

Clasificacin en base a la dependencia de sal:


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Arqueas halfilas extremas (haloarqueas)

- Halfilos extremos (>2 M NaCl) : Estrs osmtico. Acumulan KCl 4-5 M

- Alta irradiacin solar: Pigmentos isoprenoides (bacterioruberinas) en membrana

- Condiciones microaerobias

- Altas temperaturas

- Limitacin de nutrientes

- Neutrfilas (pH ~7) y alcalfilas (pH 10-12)

Haloferax volcanii


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Arqueas haloalcalfilas

Natrialba magadiiATCC 43099

Extremfilos para dos condiciones: alta sal y alto pH

Condicin optima de crecimiento: ~ 3.5 M NaCl, pH 10-12

Lake Magadii, Kenya


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1. Acumulacin intracelular de Solutos compatibles.

No requiere adaptaciones en los sistemas intracelulares.

La mayora de halfilos y halotolerantes. Ej. Cianobacterias, algas

2.Acumulacin intracelular de altas concentraciones de sales (KCl).

Requiere adaptaciones en los sistemas intracelulares.

Dependen de alta sal en el medio en forma contnua.

Ej. Haloarqueas (Orden Halobacteriales) y bacterias haloflicas anaerbicas

(Orden Haloanaerobiales)

Estrategias para regular la presin osmtica:


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Solutos compatibles

- Molculas orgnicas de bajo PM, solubles en altas concentraciones, no cargadas o

switterionicas a pH fisiolgico.

- En altas concentraciones no afectan la actividad de las enzimas.

- Polialcoholes (glicerol, arabitol), azcares y derivados (fructosa, trealosa, glucosilglicerol);

aminocidos y derivados (glicina); aminas cuaternarias (glicinabetana)

- Son sintetizados o tomados/excretados en funcin de la salinidad del medio

Solutos compatibles de microorganismos halfilos y halotolerantes


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Protenas half ilas

- Requieren alta sal (1-4 M) para mantener su actividad y estabil idad.(baja actividad agua, condicin similar a las soluciones acuoso-orgnicas)

- Proteoma rico en aa cidos (~20 % D+E; pI 4-5) para neutralizar los cationes K+.

La conformacin de la protena es estable mientras existan cationes que neutralicen

las cargas.


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Halobacterium salinarum.

FotoreceptorBacteriorodopsina

(membrana purpura) permite

obtener energia en condiciones

limitantes de oxigeno


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pH extremos

Acidfilos: pH ptimo < 4.

Ej. pH 1-2 Sulfolobus sp , Termoplasma acidophilum (arqueas), Thiobacillus sp (bacteria).

pH 2-4. Lactobacillus sp,Acetobater sp (bacterias)

Neutrfilos: pH ptimo 6-7

E. coli, Psedomonas sp (bacterias)

Alcalfilos: pH ptimo > 8

pH 8-10. Bacillus alkalophilus (bacteria)

pH 10-12. Natrialba magadii (arquea)


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Homeostasis del pH intracelular (pHi): mantenimiento del pHi a pesar

de fluctuaciones en el medio extracelular.

Mantenido por:

- Baja permeabilidad de la MC a los H+

- Capacidad bufferde la clula (Ac nucleicos (PO4-), protenas (COO- y

NH2), glutamato, poliaminas.

- Circuitos inicos (H+, K+, Na+)


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Alcalfilos

- Pared celular con polmeros acdicos que repelen OH

- Requieren mecanismos que aseguren pHi se mantenga al menos 2 unidades por

debajo del pH del medio (~pH10). Sistemas antiport Na+/H+.

- Usan gradientes Na+ (SMF) para conducir transporte de solutos y otros trabajos

celulares

Transduccin de energa en alcalfilo

aerbio. Ej. Bacillus sp.

Transduccin de energa en bacteria

mesfila aerbica


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Extremfilos de temperatura

Crecimiento ptimo en :

Psicrfilos : 0-20 C. Regiones polares o

glaciares.

Ej. Shewanella benthica, 8 C; Polaromonas

vacuolata, 4 C.

Arqueas metangenas.

Mesfilos: 25-45 C.

Termfilos: 50-80 C.

Hipertermfilos: > 80 C. Volcanes,

fosas ocenicas, solfataras.

Ej. arquea Pyrolobus fumarii , 113 C, oxida H2.

Arquea cepa 121, respira Fe 3+, 121 C (T deautoclave !!!)


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Adaptaciones a la temperatura extrema

- Propiedades intrnsecas de las protenas: bajo contenido en glicina, baja

relacin superficie/vol. (ms esfricas), ms compactas

- Factores extrnsecos: chaperonas moleculares impiden desnaturalizaciny agregacin. Ej. Termosoma en hipertermfilos.

- Estabil idad del ADN. Altos niveles de K+ (impide depurinacin).

Presencia de girasa reversa (supercoling +)

Presencia histonas termoestables

- Estabil idad del ARN. Modificacin qumica para disminuir flexibilidad

- Lpidos de la membrana. Glicerol di-teres (bicapa)

Glicerol tetra-teres (monocapa)


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Lpidos de membranas de arqueas

Isopranil-eteres de glicerol: mayor estabilidad de membrana en

condiciones extremas


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Adaptaciones de las basesy cidos nucleicos en los

extremfilos


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La integridad de la MC tiene un rol clave en los extremfilos de temperatura

Deben mantener la fluidez tpica de la membrana (estado lquido-cristalino) y limitar la

permeabilidad a los H+

Fluidez de MC depende de la composicin lipdica:

- Relacin PE/PC- Estructura cidos grasos (longitud de cadena, grado y posicin de la insaturaciones).

> Temperatura > longitud y grado de saturacin cadena de ac grasos

La composicin lipdica de las MC varan entre organismos y es regulada en formadependiente de las condiciones ambientales.


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Bacterias psicrfilas, mesfilas y arqueas ajustan composicin lipdica en funcin de

T de crecimiento y pueden mantener limitada la permeabilidad al H+ () : usan

fuerza protn motiva (FPM).

Las bacterias termfilas

B. stearotermophilus y

Thermotoga) tienen alta

permeabilidad al H+ a la T

de crecimiento (): no

pueden usar FPM. Usan

gradientes de Na+ (FSM)ya que la permeabilidad

de la MC al Na+ es mucho

menor que la del H+.

FSM puede ser usada por

todas las bacterias yarqueas aun en altas T.


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Bacillus stearothermophilus. Bacteria aerbica, 60 C.

Aumenta velocidad de respiracin, reemplaza FPM

por FSM.

Clostridium fervidus, 70 C, anaerbica.

Posee Na+ ATPasa, usa FSM.

No controla pHi, limitada a ambientes pH ~neutro.

Sulfolobus solfataricus, arquea termoacidfila, pH 0.7, 90 C.

MC muy impermeable a H+. AltopH compensado por

invertido (- afuera + adentro) para mantener FPM en

valores fisiolgicos. Introduce K+


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Algunas aplicaciones de las biomolculas de los extremfilos


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Science, December 2010


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Referencias

Rothschild L. and R. Mancinelli. Life in extreme environments. Nature 409 : 1092-

1100(2001)

Pakchung A. et al. Life on Earth. Extremophiles continues to move th goals post.Environ. Chem. 3, 77 (2006)

Konings W. et al. The cell membrane plays a crucial role in survival of bacteria and

archaea in extreme environments. Antonie va Leeuwenhoek 81:61-72 (2002)

Wolfe-Simon F. et al.A bacterium that can grow by using arsenic instead of

phosphorous. Science 2010.

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