Alkaliphile sind eine Klasse extremophiler Mikroben, die in alkalischen Umgebungen (pH-Wert ca. 8,5–11) überlebensfähig sind und optimal um einen pH-Wert von 10 wachsen. Diese Bakterien können weiter als obligatorische Alkaliphilen eingestuft werden (solche, die einen hohen pH-Wert erfordern zum Überleben) fakultative Alkaliphile (solche, die bei hohem pH-Wert überleben können, aber unter normalen Bedingungen wachsen) und Halogenalkaliphile (solche, die zum Überleben einen hohen Salzgehalt erfordern). [1]
Hintergrundinformation [ edit ]
Mikrobielles Wachstum unter alkalischen Bedingungen stellt mehrere Komplikationen für die normale biochemische Aktivität und Reproduktion dar, da ein hoher pH-Wert für normale Zellen schädlich ist Prozesse. Zum Beispiel kann Alkalität zur Denaturierung von DNA, Instabilität der Plasmamembran und Inaktivierung von cytosolischen Enzymen sowie zu anderen ungünstigen physiologischen Veränderungen führen. [2] Um diese Hindernisse adäquat zu umgehen, müssen Alkaliphilen entweder über eine spezifische Zellmaschinerie verfügen, die funktioniert am besten im alkalischen Bereich, oder sie müssen über Methoden zur Ansäuerung des Cytosols in Bezug auf die extrazelluläre Umgebung verfügen. Um zu bestimmen, welche der oben genannten Möglichkeiten ein Alkaliphilesystem verwendet, haben Experimente gezeigt, dass alkaliphile Enzyme relativ normale pH-Optima besitzen. Die Bestimmung, dass diese Enzyme in der Nähe von physiologisch neutralen pH-Bereichen (etwa 7,5–8,5) am effizientesten funktionieren, war einer der Hauptschritte bei der Aufklärung, wie Alkaliphile intensiv basische Umgebungen überleben. Da der cytosolische pH-Wert nahezu neutral bleiben muss, müssen Alkaliphile einen oder mehrere Mechanismen zum Ansäuern des Cytosols haben, wenn sich eine stark alkalische Umgebung befindet.
Mechanismen der zytosolischen Ansäuerung [ edit ]
Alkaliphile halten die zytosolische Ansäuerung sowohl durch passive als auch durch aktive Mittel aufrecht. Bei der passiven Ansäuerung wurde vorgeschlagen, dass die Zellwände saure Polymere enthalten, die aus Resten wie Galacturonsäure, Gluconsäure, Glutaminsäure, Asparaginsäure und Phosphorsäure bestehen. Zusammen bilden diese Rückstände eine saure Matrix, die die Plasmamembran vor alkalischen Bedingungen schützt, indem sie den Eintritt von Hydroxidionen verhindern und die Aufnahme von Natrium- und Hydroniumionen ermöglichen. Darüber hinaus ist das Peptidoglycan alkaliphil B. Subtilis enthält im Vergleich zu seinem neutrophilen Gegenstück höhere Konzentrationen an Hexosaminen und Aminosäuren. Wenn Alkaliphile diese sauren Rückstände in Form induzierter Mutationen verlieren, wurde gezeigt, dass ihre Fähigkeit, unter alkalischen Bedingungen zu wachsen, stark behindert wird. [1] Es ist jedoch allgemein bekannt, dass passive Methoden der zytosolischen Ansäuerung nicht ausreichen, um aufrechtzuerhalten ein interner pH-Wert von 2 bis 2,3 unter dem externen pH-Wert; Es muss auch aktive Formen der Ansäuerung geben. Die am meisten charakterisierte Methode der aktiven Ansäuerung ist die Form von Na + / H + -Antiportern. In diesem Modell werden H + -Ionen zuerst in atmenden Zellen durch die Elektronentransportkette und in fermentativen Zellen zu einem gewissen Grad durch eine ATPase extrudiert. Diese Protonenextrusion baut einen Protonengradienten auf, der elektrogene Antiporter antreibt - die intrazelluläres Na + aus der Zelle austauschen, um eine größere Anzahl von H + -Ionen zu erhalten, was zur Nettoakkumulation interner Protonen führt. Diese Protonenanhäufung führt zu einer Senkung des zytosolischen pH-Werts. Das extrudierte Na + kann für gelöste Symport verwendet werden, die für zelluläre Prozesse notwendig sind. Es wurde festgestellt, dass ein Na + / H + -Antiport für das alkaliphile Wachstum erforderlich ist, wohingegen entweder K + / H + -Antiporter oder Na + / H + -Antiporter von neutrophilen Bakterien verwendet werden können. Werden Na + / H + -Antiporter durch Mutation oder auf andere Weise inaktiviert, werden die Bakterien neutrophil. [2][3] Das für dieses Antiportensystem erforderliche Natrium ist der Grund dafür, dass einige Alkaliphile nur in salzhaltigen Umgebungen wachsen können.
Unterschiede in der alkaliphilen ATP-Produktion [ edit ]
Zusätzlich zu der oben diskutierten Methode der Protonenextrusion wird angenommen, dass die allgemeine Methode der Zellatmung sich in obligaten Alkaliphilen unterscheidet im Vergleich zu Neutrophilen. Im Allgemeinen arbeitet die ATP-Produktion, indem ein Protonengradient (größere H + -Konzentration außerhalb der Membran) und ein elektrisches Transmembranpotential (mit einer positiven Ladung außerhalb der Membran) aufgebaut wird. Da Alkaliphile jedoch einen umgekehrten pH-Gradienten haben, scheint es, als würde die ATP-Produktion - die auf einer starken Protonenantriebskraft beruht - stark herabgesetzt. Das Gegenteil ist jedoch der Fall. Es wurde vorgeschlagen, dass, während der pH-Gradient umgekehrt wurde, das elektrische Potential der Transmembran stark erhöht wird. Diese Ladungserhöhung bewirkt, dass jedes translozierte Proton größere Mengen an ATP produziert, wenn es durch eine ATPase getrieben wird. [2][4] Die Forschung in diesem Bereich ist noch nicht abgeschlossen. Anwendungen und zukünftige Forschung [ edit ]
Alkaliphile versprechen interessante Anwendungen für die Biotechnologie und die zukünftige Forschung. Alkaliphile Verfahren zur Regulierung des pH-Wertes und zur ATP-Produktion sind in der wissenschaftlichen Gemeinschaft von Interesse. Das größte Interesse von Alkaliphilen liegt jedoch vielleicht in ihren Enzymen: alkalische Proteasen; Stärke abbauende Enzyme; Cellulasen; Lipasen; Xylanasen; Pektinasen; Chitinasen und ihre Metaboliten, einschließlich: 2-Phenylamin; Carotinoide; Siderophore; Cholsäurederivate und organische Säuren. Es wird gehofft, dass weitere Forschungen an alkaliphilen Enzymen Wissenschaftlern ermöglichen werden, Alkalien von Alkaliphilen für grundlegende Bedingungen zu gewinnen. [2] Die Forschung zur Entdeckung von Alkaliphilantikörpern hat einige Erfolge gezeigt, wurde jedoch durch die Tatsache, dass einige Produkte in Schach gehalten Bei einem hohen pH-Wert hergestellt sind sie in einem physiologischen pH-Bereich instabil und unbrauchbar. [1]
Beispiele [ edit ]
Beispiele für Alkaliphilen umfassen Halorhodospira halochloris Pharaonis und Thiohalospira alkaliphila [5]
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