Пьезофил

Пьезофил организм (от греческого «пьезо-» — давление и «-фил» — любить) — это с оптимальным ростом при высоком гидростатическом давлении , т. е. организм, максимальная скорость роста которого наблюдается при гидростатическом давлении, равном или выше 10 мегапаскалей (99 атм; 1500 фунтов на квадратный дюйм) при испытании при всех допустимых температурах . ^{[ 1 ]} Первоначально для этих организмов использовался термин «барофил», но, поскольку приставка «баро-» обозначает вес , предпочтение было отдано термину «пьезофил». ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Как и все определения экстремофилов , определение пьезофилов является антропоцентрическим , и люди считают, что умеренные значения гидростатического давления — это значения около 1 атм (= 0,1 МПа = 14,7 фунтов на квадратный дюйм ), тогда как эти «экстремальные» давления являются нормальными условиями жизни для этих организмов. . Гиперпьезофилы — это организмы, максимальная скорость роста которых превышает 50 МПа (= 493 атм = 7252 фунтов на квадратный дюйм). ^{[ 4 ]}

Хотя высокое гидростатическое давление оказывает пагубное воздействие на организмы, растущие при атмосферном давлении, эти организмы, которые обитают исключительно в местах обитания высокого давления на глубоком море, на самом деле нуждаются в высоком давлении для своего оптимального роста. Часто их рост может продолжаться при гораздо более высоком давлении (например, 100 МПа) по сравнению с теми организмами, которые обычно растут при низком давлении. ^{[ 5 ]}

Первым обнаруженным облигатным пьезофилом была психрофильная бактерия под названием Colwellia marinimaniae , штамм М-41. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Он был выделен из разлагающегося амфипода Hirondellea gigas со дна Марианской впадины . Первый термофильный пьезофильный штамм архей Pyrococcus yayanosii CH1 был выделен на участке Ашадзе, глубоководном гидротермальном источнике . ^{[ 8 ]} Штамм MT-41 имеет оптимальное давление роста 70 МПа при 2 °C, а штамм CH1 имеет оптимальное давление роста 52 МПа при 98 °C. Они не могут расти при давлении ниже или равном 20 МПа, и оба могут расти при давлении выше 100 МПа. Текущий рекорд самого высокого гидростатического давления, при котором наблюдался рост, составляет 140 МПа, установленный Colwellia marinimaniae MTCD1. ^{[ 9 ]}. Термин «облигатный пьезофил» относится к организмам, которые не способны расти при более низких гидростатических давлениях, например 0,1 МПа. Напротив, пьезотолерантные организмы - это те, которые имеют максимальную скорость роста при гидростатическом давлении ниже 10 МПа, но, тем не менее, способны расти с более низкими темпами при более высоких гидростатических давлениях.

Земли Большая часть биосферы (по объему) подвержена высокому гидростатическому давлению, а пьезосфера включает глубокое море (на глубине 1000 м и более) плюс глубокие недра (которые могут простираться на глубину до 5000 м под морским дном). или континентальная поверхность). ^{[ 4 ]}^{[ 10 ]} В глубоком море средняя температура составляет от 1 до 3 °C, и здесь преобладают психропьезофилы. Напротив, в глубоких подземных и гидротермальных жерлах на морском дне преобладают термопьезофилы, которые процветают при температуре выше 45 ° C (113 ° F).

Хотя изучение поступления питательных веществ и метаболизма в пьезосфере все еще находится в зачаточном состоянии, понятно, что большая часть присутствующего органического вещества представляет собой тугоплавкие сложные полимеры из эвтрофной зоны . В пьезосфере присутствуют как гетеротрофный метаболизм, так и автотрофная фиксация, а дополнительные исследования предполагают значительный метаболизм железосодержащих минералов и монооксида углерода. Для полного понимания и характеристики метаболизма пьезосферы необходимы дополнительные исследования. ^{[ 11 ]}

Пьезофильные адаптации

Высокое давление оказывает несколько воздействий на биологические системы. Приложение давления приводит к смещению равновесия в сторону состояния, занимающего малый объем, что приводит к изменению межмолекулярных расстояний и изменению конформаций. Это также влияет на функциональность клеток. Пьезофилы используют несколько механизмов, чтобы адаптироваться к такому высокому гидростатическому давлению. Они регулируют экспрессию генов в зависимости от давления, а также адаптируют свои биомолекулы к различиям в давлении. ^{[ 12 ]}

Нуклеиновые кислоты

Высокое давление стабилизирует водородные связи и стекинговые взаимодействия ДНК. Таким образом, это благоприятствует двухцепочечной дуплексной структуре ДНК. Однако для осуществления некоторых процессов, таких как репликация, транскрипция и трансляция ДНК, необходим переход к одноцепочечной структуре, что становится затруднительным, поскольку высокое давление увеличивает температуру плавления Tm. Таким образом, эти процессы могут столкнуться с трудностями. ^{[ 5 ]}

Клеточные мембраны

При повышении давления текучесть клеточных мембран снижается, так как из-за ограничений в объеме они меняют свою конформацию и упаковку. Это уменьшает проницаемость клеточной мембраны для воды и различных молекул. В ответ на колебания окружающей среды они меняют структуру своих мембран. Пьезофильные бактерии делают это за счет изменения длины ацильной цепи , накопления ненасыщенных жирных кислот , накопления определенных полярных головных групп и разветвленных жирных кислот. ^{[ 13 ]} Пьезофильные археи синтезируют полярные липиды на основе археола и каархеола , биполярные тетраэфирные липиды, включают циклопентановые кольца и увеличивают ненасыщенность. ^{[ 14 ]}^{[ 12 ]}

Белки

Макромолекулами, на которые наибольшее влияние оказывает давление, являются белки. Как и липиды, они меняют свою конформацию и упаковку, приспосабливаясь к изменениям давления. Это влияет на их мультимерную конформацию, стабильность, а также на структуру их каталитических центров, что изменяет их функциональность. ^{[ 15 ]} У видов, непереносимых к давлению, белки имеют тенденцию уплотняться и разворачиваться под высоким давлением по мере уменьшения общего объема. Однако пьезофильные белки имеют тенденцию иметь меньше пустот и в целом меньшие пустоты, чтобы уменьшить давление уплотнения и разворачивания. Также происходят изменения в различных взаимодействиях между аминокислотами. В целом они очень устойчивы к давлению. ^{[ 16 ]}^{[ 12 ]}

Ферменты

Из-за функциональной природы ферментов пьезофилы должны поддерживать свою активность, чтобы выжить. Высокие давления имеют тенденцию отдавать предпочтение ферментам с более высокой гибкостью за счет более низкой стабильности. Кроме того, пьезофильные ферменты часто обладают высокой абсолютной (в отличие от температуры или давления) и относительной каталитической активностью. Это позволяет ферментам сохранять достаточную активность даже при снижении активности из-за воздействия температуры или давления. Более того, некоторые пьезофильные ферменты обладают возрастающей каталитической активностью с увеличением давления, хотя это не является обобщением для всех пьезофильных ферментов. ^{[ 16 ]}

Общее воздействие на клетки

В результате высокого давления у организмов, непереносимых к давлению, могут быть потеряны некоторые функции. Эффекты могут включать потерю подвижности жгутиков, функции ферментов и, следовательно, метаболизма. Это также может привести к гибели клеток из-за изменений в клеточной структуре. ^{[ 17 ]} Высокие давления также могут вызвать дисбаланс в реакциях окисления и восстановления, приводя к относительно высоким концентрациям активных форм кислорода (АФК). У пьезофилов обнаружено повышенное количество антиокислительных генов и белков для борьбы с АФК, поскольку они часто вызывают повреждение клеток. ^{[ 3 ]}

См. также

Ссылки

^ Яянос, Аристид (15 декабря 2008 г.). «Пьезофилы». В John Wiley & Sons, Ltd (ред.). Энциклопедия наук о жизни . John Wiley & Sons, Ltd., стр. a0000341.pub2. дои : 10.1002/9780470015902.a0000341.pub2 . ISBN 9780470016176 .
^ Яянос, А.А. (октябрь 1995 г.). «Микробиология на глубине 10 500 метров». Ежегодный обзор микробиологии . 49 (1): 777–805. дои : 10.1146/annurev.mi.49.100195.004021 . ISSN 0066-4227 . ПМИД 8561479 .
^ Jump up to: ^а ^б Чжан, Ю; Ли, Сюэгун; Бартлетт, Дуглас Х; Сяо, Сян (01 июня 2015 г.). «Современные разработки морской микробиологии: биотехнология высокого давления и генная инженерия пьезофилов» . Современное мнение в области биотехнологии . Экологическая биотехнология • Энергетическая биотехнология. 33 : 157–164. дои : 10.1016/j.copbio.2015.02.013 . ISSN 0958-1669 . ПМИД 25776196 .
^ Jump up to: ^а ^б Фан, Цзясун; Чжан, Ли; Базылински, Деннис А. (сентябрь 2010 г.). «Глубоководная пьезосфера и пьезофилы: геомикробиология и биогеохимия». Тенденции в микробиологии . 18 (9): 413–422. дои : 10.1016/j.tim.2010.06.006 . ПМИД 20663673 .
^ Jump up to: ^а ^б Огер, Филипп М.; Джеббар, Мохамед (1 декабря 2010 г.). «Множество способов справиться с давлением» . Исследования в области микробиологии . 161 (10): 799–809. дои : 10.1016/j.resmic.2010.09.017 . ISSN 0923-2508 . ПМИД 21035541 . S2CID 7197287 .
^ Яянос, А.А.; Дитц, А.С.; Ван Бокстел, Р. (август 1981 г.). «Облигатно барофильная бактерия из Марианской впадины» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 78 (8): 5212–5215. Бибкод : 1981PNAS...78.5212Y . дои : 10.1073/pnas.78.8.5212 . ISSN 0027-8424 . ПМК 320377 . ПМИД 6946468 .
^ Пиплс, Логан М.; Чжо, Тан С.; Угальде, Хуан А.; Муллейн, Келли К.; Честейн, Роджер А.; Яянос, А. Аристидес; Кусубе, Масатака; Мете, Барбара А.; Бартлетт, Дуглас Х. (06 октября 2020 г.). «Отличительные генные и белковые характеристики чрезвычайно пьезофильной колвеллии» . БМК Геномика . 21 (1): 692. doi : 10.1186/s12864-020-07102-y . ISSN 1471-2164 . ПМЦ 7542103 . ПМИД 33023469 .
^ Цзэн, Сян; Биррьен, Жан-Луи; Фуке, Ив; Черкашов Георгий; Джеббар, Мохамед; Кереллу, Жоэль; Огер, Филипп; Камбон-Бонавита, Мари-Анн; Сяо, Сян; Приер, Даниэль (июль 2009 г.). «Пирококк CH1, облигатный пьезофильный гипертермофил: расширение верхних пределов давления и температуры для жизни» . Журнал ISME . 3 (7): 873–876. дои : 10.1038/ismej.2009.21 . ISSN 1751-7370 . ПМИД 19295639 . S2CID 1106209 .
^ Кусубе, Масатака; Чжо, Тан С.; Таникава, Кумико; Честейн, Роджер А.; Харди, Кевин М.; Кэмерон, Джеймс; Бартлетт, Дуглас Х. (01 апреля 2017 г.). «Colwellia marinimaniae sp. nov., гиперпьезофильный вид, выделенный из амфиподы в Бездне Челленджера, Марианская впадина» . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 67 (4): 824–831. дои : 10.1099/ijsem.0.001671 . ISSN 1466-5026 . ПМИД 27902293 .
^ Кифт, Томас Л. (2016), «Микробиология глубокой континентальной биосферы», Херст, Кристон Дж. (редактор), Их мир: разнообразие микробной среды , достижения в области экологической микробиологии, том. 1, Springer International Publishing, стр. 225–249, номер документа : 10.1007/978-3-319-28071-4_6 , ISBN. 9783319280691
^ Фан, Цзясун; Чжан, Ли; Базылински, Деннис А. (01 сентября 2010 г.). «Глубоководная пьезосфера и пьезофилы: геомикробиология и биогеохимия» . Тенденции в микробиологии . 18 (9): 413–422. дои : 10.1016/j.tim.2010.06.006 . ISSN 0966-842X . ПМИД 20663673 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Огер, Филипп М.; Джеббар, Мохамед (декабрь 2010 г.). «Множество способов справиться с давлением» . Исследования в области микробиологии . 161 (10): 799–809. дои : 10.1016/j.resmic.2010.09.017 . ISSN 1769-7123 . ПМИД 21035541 . S2CID 7197287 .
^ Тэмби, Ананди; Синнингхе-Дамсте, Яап; Вильянуэва, Лаура (2023). «Адаптация липидов микробных мембран к высокому гидростатическому давлению в морской среде» . Границы молекулярной биологии . 9 . дои : 10.3389/fmolb.2022.1058381 . PMID 36685280 .
^ Зима, Роланд; Джеворрек, Кристоф (18 августа 2009 г.). «Влияние давления на мембраны» . Мягкая материя . 5 (17): 3157–3173. Бибкод : 2009SMat....5.3157W . дои : 10.1039/B901690B . ISSN 1744-6848 .
^ Бальни, Клод; Массон, Патрик; Хереманс, Карел (март 2002 г.). «Воздействие высокого давления на биологические макромолекулы: от структурных изменений к изменению клеточных процессов» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Структура белка и молекулярная энзимология . 1595 (1–2): 3–10. дои : 10.1016/s0167-4838(01)00331-4 . ISSN 0167-4838 . ПМИД 11983383 .
^ Jump up to: ^а ^б Ичие, Тошико (01 декабря 2018 г.). «Ферменты из пьезофилов» . Семинары по клеточной биологии и биологии развития . СИ: Презентация антигена. 84 : 138–146. дои : 10.1016/j.semcdb.2018.01.004 . ISSN 1084-9521 . ПМК 6050138 . ПМИД 29331641 .
^ Абэ, Ф.; Хорикоши, К. (март 2001 г.). «Биотехнологический потенциал пьезофилов» . Тенденции в биотехнологии . 19 (3): 102–108. дои : 10.1016/s0167-7799(00)01539-0 . ISSN 0167-7799 . ПМИД 11179803 .

[1] Яянос, Аристид (15 декабря 2008 г.). «Пьезофилы». В John Wiley & Sons, Ltd (ред.). Энциклопедия наук о жизни . John Wiley & Sons, Ltd., стр. a0000341.pub2. дои : 10.1002/9780470015902.a0000341.pub2 . ISBN 9780470016176 .

[2] Яянос, А.А. (октябрь 1995 г.). «Микробиология на глубине 10 500 метров». Ежегодный обзор микробиологии . 49 (1): 777–805. дои : 10.1146/annurev.mi.49.100195.004021 . ISSN 0066-4227 . ПМИД 8561479 .

[:1-3] Jump up to: ^а ^б Чжан, Ю; Ли, Сюэгун; Бартлетт, Дуглас Х; Сяо, Сян (01 июня 2015 г.). «Современные разработки морской микробиологии: биотехнология высокого давления и генная инженерия пьезофилов» . Современное мнение в области биотехнологии . Экологическая биотехнология • Энергетическая биотехнология. 33 : 157–164. дои : 10.1016/j.copbio.2015.02.013 . ISSN 0958-1669 . ПМИД 25776196 .

[:0-4] Jump up to: ^а ^б Фан, Цзясун; Чжан, Ли; Базылински, Деннис А. (сентябрь 2010 г.). «Глубоководная пьезосфера и пьезофилы: геомикробиология и биогеохимия». Тенденции в микробиологии . 18 (9): 413–422. дои : 10.1016/j.tim.2010.06.006 . ПМИД 20663673 .

[Oger_799–809-5] Jump up to: ^а ^б Огер, Филипп М.; Джеббар, Мохамед (1 декабря 2010 г.). «Множество способов справиться с давлением» . Исследования в области микробиологии . 161 (10): 799–809. дои : 10.1016/j.resmic.2010.09.017 . ISSN 0923-2508 . ПМИД 21035541 . S2CID 7197287 .

[6] Яянос, А.А.; Дитц, А.С.; Ван Бокстел, Р. (август 1981 г.). «Облигатно барофильная бактерия из Марианской впадины» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 78 (8): 5212–5215. Бибкод : 1981PNAS...78.5212Y . дои : 10.1073/pnas.78.8.5212 . ISSN 0027-8424 . ПМК 320377 . ПМИД 6946468 .

[7] Пиплс, Логан М.; Чжо, Тан С.; Угальде, Хуан А.; Муллейн, Келли К.; Честейн, Роджер А.; Яянос, А. Аристидес; Кусубе, Масатака; Мете, Барбара А.; Бартлетт, Дуглас Х. (06 октября 2020 г.). «Отличительные генные и белковые характеристики чрезвычайно пьезофильной колвеллии» . БМК Геномика . 21 (1): 692. doi : 10.1186/s12864-020-07102-y . ISSN 1471-2164 . ПМЦ 7542103 . ПМИД 33023469 .

[8] Цзэн, Сян; Биррьен, Жан-Луи; Фуке, Ив; Черкашов Георгий; Джеббар, Мохамед; Кереллу, Жоэль; Огер, Филипп; Камбон-Бонавита, Мари-Анн; Сяо, Сян; Приер, Даниэль (июль 2009 г.). «Пирококк CH1, облигатный пьезофильный гипертермофил: расширение верхних пределов давления и температуры для жизни» . Журнал ISME . 3 (7): 873–876. дои : 10.1038/ismej.2009.21 . ISSN 1751-7370 . ПМИД 19295639 . S2CID 1106209 .

[9] Кусубе, Масатака; Чжо, Тан С.; Таникава, Кумико; Честейн, Роджер А.; Харди, Кевин М.; Кэмерон, Джеймс; Бартлетт, Дуглас Х. (01 апреля 2017 г.). «Colwellia marinimaniae sp. nov., гиперпьезофильный вид, выделенный из амфиподы в Бездне Челленджера, Марианская впадина» . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 67 (4): 824–831. дои : 10.1099/ijsem.0.001671 . ISSN 1466-5026 . ПМИД 27902293 .

[10] Кифт, Томас Л. (2016), «Микробиология глубокой континентальной биосферы», Херст, Кристон Дж. (редактор), Их мир: разнообразие микробной среды , достижения в области экологической микробиологии, том. 1, Springer International Publishing, стр. 225–249, номер документа : 10.1007/978-3-319-28071-4_6 , ISBN. 9783319280691

[11] Фан, Цзясун; Чжан, Ли; Базылински, Деннис А. (01 сентября 2010 г.). «Глубоководная пьезосфера и пьезофилы: геомикробиология и биогеохимия» . Тенденции в микробиологии . 18 (9): 413–422. дои : 10.1016/j.tim.2010.06.006 . ISSN 0966-842X . ПМИД 20663673 .

[pubmed.ncbi.nlm.nih.gov-12] Jump up to: ^а ^б ^с Огер, Филипп М.; Джеббар, Мохамед (декабрь 2010 г.). «Множество способов справиться с давлением» . Исследования в области микробиологии . 161 (10): 799–809. дои : 10.1016/j.resmic.2010.09.017 . ISSN 1769-7123 . ПМИД 21035541 . S2CID 7197287 .

[13] Тэмби, Ананди; Синнингхе-Дамсте, Яап; Вильянуэва, Лаура (2023). «Адаптация липидов микробных мембран к высокому гидростатическому давлению в морской среде» . Границы молекулярной биологии . 9 . дои : 10.3389/fmolb.2022.1058381 . PMID 36685280 .

[14] Зима, Роланд; Джеворрек, Кристоф (18 августа 2009 г.). «Влияние давления на мембраны» . Мягкая материя . 5 (17): 3157–3173. Бибкод : 2009SMat....5.3157W . дои : 10.1039/B901690B . ISSN 1744-6848 .

[15] Бальни, Клод; Массон, Патрик; Хереманс, Карел (март 2002 г.). «Воздействие высокого давления на биологические макромолекулы: от структурных изменений к изменению клеточных процессов» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Структура белка и молекулярная энзимология . 1595 (1–2): 3–10. дои : 10.1016/s0167-4838(01)00331-4 . ISSN 0167-4838 . ПМИД 11983383 .

[:2-16] Jump up to: ^а ^б Ичие, Тошико (01 декабря 2018 г.). «Ферменты из пьезофилов» . Семинары по клеточной биологии и биологии развития . СИ: Презентация антигена. 84 : 138–146. дои : 10.1016/j.semcdb.2018.01.004 . ISSN 1084-9521 . ПМК 6050138 . ПМИД 29331641 .

[17] Абэ, Ф.; Хорикоши, К. (март 2001 г.). «Биотехнологический потенциал пьезофилов» . Тенденции в биотехнологии . 19 (3): 102–108. дои : 10.1016/s0167-7799(00)01539-0 . ISSN 0167-7799 . ПМИД 11179803 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]