Extremofilní organismy a jejich sekundární metabolity prof. RNDr. Jiří Patočka, DrSc. prof.patocka@toxicology.cz http://www.toxicology.cz

Základní pojmy Extremofilní organismus – prospívá v extremních podmínkách Extrémem se rozumí: Fyzikální faktory (tlak, teplota, radiace) Chemické faktory (salinita, vysychání, pH, redox. prostředí, vysoká koncentrace iontů) Biologické faktory (nutriční extrémy, populační hustota, parazitace)

Extremofilové Na Zemi žije řada organismů, které si v ničem nezadají s mimozemšťany v sci-fi. Tolerují prostředí pro ostatní tvory smrtelně nebezpečná. Žijí v roztocích jedovatých chemikálií, kyselin a hydroxidů, v jaderných reaktorech či enormních teplotách. Žijí na stejné planetě jako my a přesto jsou nám cizí, jako-by z jiného světa. Extremofilové, podobně jako jiné organismy, produkují sekundární metabolity - chemické substance rozličné struktury a rozličných biologických funkcí. Jsou tyto biochemikálie také extrémní?

Vysoké teploty Většina proteinů denaturuje mezi 40-50 °C Pyrolobus fumari v sirných vývěrech černých komínů v hloubce 3650 m, 90 -113 °C Strain 121, hypertermofilní archebakterie (Pyrodictium) Nalezena v hydrotermálním průduchu Puget Sound, USA Žije při teplotě 121 °C Metabolismus založen na redukci oxidů železa

Hlubokomořské černé komíny Černý komín, černý kuřák (black smoker) Hydrotermální průduchy na mořském dně Voda bohatá na minerály Teplota až 400 °C

Černý kuřák v hloubce 2250 m. Tichý oceán, hřeben Juan de Fuca Ridge, západně od ostrova Vancouver

Život kolem černých kuřáků Rozvinutá společenstva v uzavřeném ekosystému Hloubka 2 – 5 km, obrovský tlak, vysoká teplota, žádné světlo, žádný kyslík Zelené sirné bakterie – fotosyntéza v naprosté tmě - jejich metabolismus je založen na síře Garnáti – krevety – krabi – červi – ryby Dnes je známo okolo 600 těchto organismů

Mnohoštětinatí červi rodu Alvinella Alvinella pompejana vydrží 70-80 °C Pouštní mravenec Catyglyphis bicolor přežije 55 °C

Nízké teploty Arktické ryby Chvostoskoci (Collembola) aktivní až do -10 °C Cryptoendolithotrophs – mikroorganismus z Antarktidy, aktivní do -15 °C

Huňatka Entomobrya nivalis Měří 1-2 mm, vyskytuje se v mechu a lišejnících nebo v lesním humusu. V zimním období ji často najdeme masově na sněhu v horských oblastech i na zahradě

Nejnižší teploty pro fotosyntézu Prasiola crispa -20°C

Usiminy A - C Nízké teploty snáší i lišejníky Usiminy, sekundární metabolity antarktického lišejníku Stereocaulon alpinum. Jsou to inhibitory protein-tyrosin-fosfatázy 1B

Nejvyšší teploty pro fotosyntézu Jednobuněčná řasa Cyanidium caldarium Yellowstone (75 °C) Akumuluje Fe, Zn, Cu, Ni a Mn Produkuje vitamin K (menachinon)

Nejvyšší úroveň radiace Člověk onemocní při ozáření dávkou 2 Gy, letální dávka 6-10 Gy Bakterie přežívají 60 Gy Členovci (švábi, štíři) 900 Gy Želvušky 5700 Gy Bakterie Deinococcus radiodurans 15 000 Gy, žije v blízkosti jaderných reaktorů

Želvušky Želvušky (Tardigrada) je kmen živočichů

Kyselé prostředí Acidofilní bakterie Lactobacillus, Thiobacillus Thermoplasma acidophilus – skládky hlušiny po těžbě uhlí s nízkým pH (0-1).

Kyselé prostředí Helicobacter pylori, gram-negativní bakterie, která u lidí kolonizuje žaludek Nakažena je téměř polovina světové populace Produkuje toxin známý jako VacA toxin (vakuolizující toxin) Jeden z faktorů podílejících se na vzniku rakoviny žaludku

Alkalické prostředí Streptomyces sp. AK 409 – alkalifilní mikromyceta Produkuje pyrocoll, antibiotikum a antiparasitikum s protinádorovým účinkem

Alkalické prostředí Alkalifilní bakterie Natronobacterium pharaonis Bacillus alcalophilus Sinice (Spirulina, Microcystis, Plectonema) Sodné jezero Magadi v Keni (pH 10)

Koncentrované roztoky solí Halofilní organismy Dunaliella salina, jednobuněčná zelená řasa (30 % roztok soli) Vysoký obsah karotenoidů, beta-karoten Akumuluje arsen

DAGAP Halofilní bakterie Rubrobacter xylanophilus, je rovněž radiorezistentní Produkuje di-N-acetylglucosamin-fosfát (DAGAP), sekundární metabolit

Vysoká salinita Žábronožky rodu Artemia Žábronožka slaništní (A. salina) Sladká voda 7 ml O2/litr Mořská voda 4-6 ml O2/litr Mrtvé moře 0,8 ml O2/litr Krůček od anoxybiozy

Žábronožka slaništní

Anoxické podmínky Karas obecný (Carassius carassius) Přezimuje ve vodě anoxických tůní

Vysoké koncentrace těžkých kovů Archebakterie a protobakterie Ferroplasma acidophilum Ralstonia solanacearum Podílely se na vzniku rudných ložisek

Berkeley Pit Lake

Největší jedovaté jezero na světě (1,6 km, hloubka 270 m) Pozůstatek měděného dolu (1955 až 1982) Kyselá voda (pH = 2,5) s vysokým obsahem mědi (187 ppm), arsenu, kadmia a zinku Kyselina berkelová, produkt plísně Penicillium sp., silné kancerostatikum

Závěr Životní podmínky, ve kterých žijí extremofilní organismy, se nám jeví jako absolutně nevyhovující pro cokoliv živého Život na Zemi vznikal v extrémních podmínkách Takové podmínky jako v ranných stádiích vývoje Země, panují i na většině těles Sluneční soustavy a patrně i jinde ve Vesmíru To vše podporuje ideu, že život existuje i jinde ve Vesmíru

Ještě jsme tam však nenašli cestu