Termófilos y psicófrilos PDF

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F. Amnanou, M. Ballester, S. Bagur, A. Calderón, I. Cano

Microbiologia-Grup B

TERMÓFILOS Y PSICRÓFILOS 1. INTRODUCCIÓN Los extremófilos son organismos que viven en condiciones ambientales extremas, tales como temperaturas muy elevadas (55-121°C), bajas (-2,-20°C), alta salinidad (NaCl 2- 5M), alta alcalinidad (pH mayor de 8) o alta acidez (pH menor de 4). Existen individuos extremófilos clasificados en los tres dominios, es decir, existen extremófilos del dominio Eukarya, aunque la gran mayoría de estos organismos son de los dominios Archaea y Bacteria. Hay varias clases de extremófilos y se clasifican atendiendo al ambiente en el que viven, los más importantes son los termófilos, psicrófilos, alcalófilos, halófilos y los acidófilos.

Imagen extraída de N. Ramírez D, J.A. Serrano R., H. Sandoval T, 2006. P.58

2. PSICÓFRILOS a. Definición y características generales Los psicrófilos son los seres vivos capaces de vivir a temperaturas entre –5 y 5 °C. Existen dos tipos: Los psicrófilos obligados son los organismos que cumplen los siguientes requisitos: tener una temperatura óptima de crecimiento inferior o igual a 15 °C; una temperatura máxima de crecimiento por debajo de los 20°C y una mínima inferior o igual a 0°C. En resumen, son aquellos organismos que crecen en ambientes que no superen los 20°C. Aquellos organismos que soporten bajas temperaturas, pero tengan su crecimiento óptimo por encima de los 20°C y hasta 30°C son denominados psicrotolerantes o psicrófilos facultativos (6). Estos organismos son los culpables de que los alimentos se estropeen en los frigoríficos. 1

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Los organismos psicrofílicos están representados en los tres dominios de la vida. Por lo que hace a bacterias, pertenecen a cuatro grupos filogenéticos: las subdivisiones alfa y gamma de las Proteobacterias, el filo FlexibacterBacteroides-Cytophaga y la rama grampositiva. b. Hábitat Los psicrófilos se describen comúnmente como microorganismos que exhiben una temperatura de crecimiento óptima de 15 ° C y más baja. Se han recientemente descubierto estos microorganismos tolerantes al frío en ambientes glaciares, permafrost, nieve y sistemas alpinos y polares. c. Mecanismos de adaptación Las bacterias psicrofílicas tienen: 

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Gran adaptación al tener ácidos grasos en gran parte insaturados en sus membranas plasmáticas. Se ha encontrado que algunos psicrófilos contienen ácidos grasos poliinsaturados, que generalmente no se presentan en los procariotas. Enzimas que continúan funcionando, aunque a una velocidad reducida, a temperaturas ambiente cercanas al punto de congelación. La capacidad de producir proteínas que son estables y flexibles a bajas temperaturas. Creación de proteínas anticongelantes que protejan a las moléculas importantes de la célula, como el ADN, y el citoplasma de la congelación. Generalmente son glicoproteínas con alta afinidad por el agua. Formación de esporas que les permitan viabilizar la vida una vez pasado el frío extremo

d. Especies de interés Se trata de organismos descubiertos recientemente y muy de moda. El 2001, el Dr. Scott Rogers y su equipo se encontraron en Lake Vostok psicrófilos junto con termófilos, lo que sugiere la presencia de respiraderos hidrotermales en las profundidades del lago. Rogers dijo que la presencia de especies marinas y de agua dulce respalda la hipótesis de que el lago una vez estuvo conectado con el océano, y que el agua dulce fue depositada en el lago por el glaciar dominante. De esta forma, estos microorganismos nos dan información sobre el pasado climático de la región. Pero además podemos observar que no solo existe un interés por parte evolutivo existen otros intereses en el ámbito industrial y biotecnológico. Por ejemplo, en la maduración del queso, la degradación de los polímeros en detergentes, biosensores o maricultura (7). Los aislamientos de ambientes fríos incluyen Arthrobacter sp ., Psychrobacter sp, insectos y miembros de los géneros Halomonas, Pseudomonas, Hyphomonas y Sphingomonas. 3. TERMÓFILOS a. Definición y características generales

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Se consideran termófilos aquellos microorganismos que viven por encima de los 45-50ºC, cabe hacer la distinción entre termófilos facultativos, que viven en torno a los 30ºC, pero pueden soportar incrementos de hasta 50-65ºC, y termófilos obligados, cuya temperatura mínima de desarrollo supera los 45ºC, teniendo un óptimo entre 65 y 75ºC. Una tercera categoría queda representada por los termófilos extremos, con temperatura óptima superior a 70°C. Por último, tenemos al grupo de los hipertermófilos, que viven entre los 80 y 110°C (J. V. García-Mesa, 2005, p.12-13). Se cree que ningún organismo podría evitar la ruptura de los enlaces químicos que forman el ADN y otras moléculas esenciales a temperaturas superiores de 150ºC. b. Hábitat Estos organismos habitan pocas zonas de la biosfera cuyas temperaturas son siempre superiores a las 45-50ºC, comúnmente tienen que ver con fenómenos volcánicos: fuentes termales volcánicas terrestres, fuentes termales submarinas asociadas a las grandes dorsales oceánicas y materiales en fermentación como acúmulos de abono que pueden alcanzar temperaturas de 65ºC. Se encuentran dentro de los termófilos representantes de todos los dominios de la vida:

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Bacteria

Thermus aquaticus es una bacteria que crece a temperaturas mayores a 70ºC. 

Archaea

Hay tres grupos principales de hipertermófilos en las arqueas; los sulfurodependientes (metabolizan azufre para obtener energía), los sulfuro-reductores y los metanogénicos. La mayor parte de los termófilos de esta división son sulfurodependientes y se presentan como sulfuro-reductores anaeróbicos (crecen a temperaturas mayores de 90°C y la mayoría son de origen marino) y sulfurooxidantes aerobios (estos últimos menos termófilos). Sulfolobus acidocaldarius, crece a partir de 85°C en fuentes termales ácidas o suelos superficiales. Para Pyrolobus fumarii, la temperatura óptima de crecimiento es de 105°C, pero puede crecer hasta los 113°C; sin embargo, detiene su crecimiento cuando la temperatura disminuye a menos de 90°C. Crece en las paredes de las fumarolas. (N. Ramírez D, J.A. Serrano R., H. Sandoval T, 2006. p.58). 

Eukarya

Dentro de los eucariotas se encuentran también, aunque en menor número, representantes de termófilos. Cyanidium caldarium, un alga roja crece óptimamente a 45ºC con una temperatura máxima posible de 57ºC, exclusivamente en ambientes ácidos (2). Alvinella pompojana, un anélido poliqueto que vive en chimeneas hidrotermales, vive a 68ºC pudiendo aguantar hasta 81ºC. Los tardígrados son eucariotas muy pequeños (los adultos más grandes miden 0,5mm) que habitan todos los rincones de nuestro planeta y los ambientes cálidos no son una excepción, sobreviviendo a los 151ºC (5). c. Mecanismos de adaptación

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Los organismos termófilos del dominio Arquea y Bacteria y los hipertermófilos del dominio Arquea presentan diversas adaptaciones que les ayudan a vivir y crecer en condiciones de alta temperatura. Entre ellas están:  Cambios en la membrana plasmática  Bacteria El dominio Bacteria tiene una membrana celular prácticamente igual a la del dominio eucariota, con la diferencia de que no contiene colesterol. Para evitar la hiperfluidez que provocarían las altas temperaturas en los lípidos de membrana, las bacterias térmófilas incluyen en su membrana glicerols diesterificados con grupos acilo de cadena larga y saturada (C18-C24) (3) 

Arquea

En el dominio Arquea, la membrana celular es distinta: está formada por diéteres de glicerol unidos a fitanos, derivados de los isoprenoides (hidrocarburos de cadena larga y ramificada, C20) (3). El enlace éter es más termorresistente que el enlace éster. Además, en arqueas hipertermófilas, los diéteres pueden emparejarse formar una monocapa de C40-bifitanil-tetraéteres, lo que proporciona a estos organismos una gran resistencia a temperaturas altas (4).  Enzimas termorresistentes Los enzimas son proteínas, por lo que pueden desnaturalizarse en presencia de calor. Para evitarlo, los termófilos e hipertermófilos han desarrollado modificaciones para mejorar la termoestabilidad proteica:  

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Compactación de la proteína: reducció de la relación superfície/volumen Formación de núcleos proteicos altamente apolares: con un centro hidrofóbico, se expulsan las moléculas de agua y se refuerzan las interacciones hidrofóbicas del núcleo. Disminución del contenido en glicina y aumento de las interacciones hidrofóbicas: todo ello reduce la flexibilidad de la proteína, evitando el desdoblamiento. Sustitución de aminoácidos sensibles a cambiar su estructura (cisteína); a desaminarse (asparagina y ácido glutámico) y a sufrir daño oxidativo (metionina).

 ADN termorresistente Según numerosos estudios, el porcentaje de guanina y citosina del ADN (G+C) está relacionado directamente con la temperatura óptima de crecimiento bacteriano. Esto es debido a que, para el enrollamiento de la doble hebra del ADN, se requiere la formación de puentes de hidrógeno entre las bases complementarias: 2 puentes de hidrógeno entre adenina y timina y 3 entre guanina y citosinas; por lo tanto, requerirá una mayor energía desnaturalizar una hélice de DNA rica en G+C que una rica en A+T (8). d. Especies de interés De especial interés son las enzimas de los organismos termófilos e hipertermófilos pues, debido a que realizan su actividad catalítica a altas 4

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temperaturas, son realmente útiles en procesos industriales y de investigación científica. Algunas de las especies más interesantes para el beneficio humano son: 

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Thermus aquaticus y Pyrococcus furiosus: de esta bacteria y de esta arquea arquea se extrajeron la Taq polimerasa y la Pfu polimerasa, respectivamente, DNA polimerasas usadas en la PCR: proceso de amplificación de secuencias de DNA. Bacillus thermoproteolyticus: productor de la termolisina, proteasa usada en la fabricación de aspartamo, un endulcorante artificial (3).

4. MICROBIOTA ¿Cómo hemos llegado a esta situación? Actualmente, los antibióticos se utilizan tanto en medicina como en veterinaria y agricultura. La resistencia a ellos es normal, el problema es que su abuso acelera el proceso tanto en humanos como en animales. Hablamos de abuso en el caso de su utilización en bajas dosis, como suplemento alimenticio para el crecimiento y engorde de los animales o, en altas dosis, para la prevención de enfermedades e infecciones habituales. En cuanto a la agricultura, también se utilizan antibióticos para estimular el crecimiento y evitar plagas. En los últimos diez años, el consumo de antibióticos ha aumentado casi una tercera parte a nivel mundial y se calcula que más de la mitad se destina al uso agrícola y ganadero. Las bacterias resistentes a antibióticos no solo se encuentran en el suelo y en muestras clínicas humanas, sino que también se encuentran en animales de granja, piscifactorías, piensos para animales, carnes procesadas, alimentos, aguas de ríos y pantanos e incluso en la miel, ya que se utilizan antibióticos para evitar infecciones por bacterias como Bacillus. Por eso, su uso generalizado facilita la propagación de los plásmidos de resistencia otorgando así una ventaja selectiva a las bacterias que los contienen. El contacto con esos animales o con los alimentos o productos derivados pueden transmitir esas resistencias a las personas. Se han hecho distintos estudios sobre este tema. En uno realizado en una granja de pollos, se encontraron las mismas bacterias resistentes a antibióticos en moscas, en el estiércol y en las aguas de lugar. Otro demostraba que, el uso de estiércol natural de las vacas como abono, podía llegar a ser peligroso ya que éste inducía el crecimiento de bacterias resistentes , que ya estaban presentes en el suelo, principalmente Pseudomonas. En Alemania, hubo un caso de brote infeccioso mortal cuyo responsable fue Escherichia coli, supuestamente originario en pepinos importados de España, que finalmente fue demostrado, con estudios epidemiológicos que realmente, la causa fueron unos brotes de soja de agricultura ecológica abonados también con estiércol. La culpa no es toda del uso masivo de antibióticos en animales. También se debe tener en cuenta el uso inapropiado en el ámbito de la medicina. Utilizar los antibióticos como tratamiento ante una infección viral, no respetar la duración o las dosis recomendadas de los tratamientos, o tomar medicamentos viejos o caducados son, entre otros, malos usos de los antibióticos que también promueven que las bacterias se hagan más resistentes. 5

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5. REFERENCIAS (1) J. V. García-Mesa (2005). Hablemos de termófilos y algo sobre el origen de la vida, Instituto de metalurgia, Universidad Potosinos. Extraído de https://ninive.uaslp.mx/xmlui/bitstream/handle/i/2625/01_200507.pdf? sequence=2#page=14 (2) N. Ramírez D, J.A. Serrano R., H. Sandoval T (2006). Microorganismos extremófilos. Actinomicetos halófilos en México, Revista Mexicana de Ciencias Farmacéuticas, vol. 37, núm. 3, julio-septiembre, pp. 56-71, Asociación Farmacéutica Mexicana. Extraído de https://www.redalyc.org/pdf/579/57937307.pdf (3) C. Suárez Núñez, F. Ramírez Vives, O. Monroy Hermosillo, D. Alazard, L. Fernández Linares (2004). La vida a altas temperaturas: adaptación de los microorganismos y aplicación industrial de sus enzimas. Revista Ciencia. 56-65 [pdf]. Extraído de https://www.revistaciencia.amc.edu.mx/images/revista/55_1/lavida_altas_temper aturas.pdf (4) E. Iáñez. Agentes físicos. Sitio web para la consulta de Microbiología General, Universidad de Granada. Extraido de https://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/13agfisicos.htm#_Toc59451622 (5) S. I. Ramírez (2010). Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Extraído de http://inventio.uaem.mx/index.php/inventio/article/view/440/610 (6) Jan W. Gooch (2011). «Facultative Psychrophile». Encyclopedic Dictionary of Polymers (New York: Springer Science and Business Media). p. 892. ISBN 978-14419-6247-8. doi:10.1007/978-1-4419-6247-8_13734. (7) Lynn J. Rothschild & Rocco L. Mancinelli (2001). Table 3 Examples of extremophiles in industry and biotechnology. Life in extreme enviroments, Nature. (8) Zheng, H., & Wu, H. (2010). Gene-centric association analysis for the correlation between the guanine-cytosine content levels and temperature range conditions of prokaryotic species. BMC bioinformatics, 11 Suppl 11(Suppl 11), S7. doi:10.1186/1471-2105-11-S11-S7 6.

FUENTES DE INFORMACIÓN COMPLEMENTARIAS

https://serc.carleton.edu/microbelife/extreme/cold/index.html https://www.astrobio.net/extreme-life/in-subglacial-lake-surprising-life-goes-on/

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