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Extremófilo

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Termófilo, um tipo de extremófilo, produz algumas das mais brilhantes cores do Grand Prismatic Spring, Parque Nacional de Yellowstone

Extremófilo (do latim extremus [extremo], e do grego φιλία (philiā) [afeição]) é um organismo capaz de viver em ambientes de condições físico-geo-químicamente extremas para a maioria dos outros seres vivos do planeta Terra, sejam eles naturais (vulcões, oceanos, alta atmosfera, caverna, desertos) ou antrópicos (minas, rios anóxicos, áreas contaminadas por petróleo/compostos industriais e radiação), expandindo os limites da vida conhecidos. [1][2]

Os mais conhecidos extremófilos são microrganismos. O domínio Archaea contém renomados exemplos, mas extremófilos são presentes em inúmeras e diversas linhagens genéticas de bactérias e archaeanos. Além disto, é errôneo utilizar o termo extremófilo para englobar todos os archaeanos, já que alguns são mesófilos. Nem todos os organismos que prosperam ou suportam (extremotolerante) condições extremas são unicelulares; protostômios encontrados em ambientes similares incluem o Verme de Pompéia, os psicrófilos Grylloblattodea (insetos), Krill antártico (um crustáceo) e os Tardigradas.

Embora o conceito de “extremo” seja antropocêntrico, é de fato que as formas de vida com quais estejamos mais próximos sejam os mesofílicos. Porém, estão sendo descobertas diversas bactérias, Archaeas e inclusive animais que vivem ou toleram ambientes para nós extremos. Além de levantar discussões sobre início da vida na Terra e os limites e capacidades que a vida consegue prosperar, esses seres vivos podem ser utilizados em diversos estudos e trabalhos para atuar em áreas que não conseguimos, desde a biorremediação de solos contaminados até a possibilidade de vida além do que conhecemos na Terra.[3]

Surgimento da vida na Terra

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Desde a década de 1980, biólogos descobriram microrganismos que têm grande flexibilidade para sobreviver em ambientes extremos - inóspitos para organismos complexos. Nesse sentido, em 1969, o primeiro ser vivo extremófilo foi encontrado, o Thermus aquaticus, que vive em cerca de 80ºC em gêiseres (que alcançam 100ºC) no parque de Yellowstone, EUA, por Thomas Brock (que futuramente será usada para obtenção da enzima termo resistente Taq Polimerase, amplamente utilizada na Biotecnologia, exemplificando os diferentes potenciais que as extremófilas possuem).[4]

Posteriormente, usando sequenciamento de DNA, biólogos relatam que provavelmente o ancestral comum de toda forma de vida foi um microrganismo aquático que vivia em temperaturas extremamente quentes, como as fontes hidrotermais.[5]

Pesquisadores da Universidade da Califórnia indicam que partículas minerais de dentro das fissuras dessas fontes possuem propriedades semelhantes às das enzimas - proteínas biológicas que catalisam e regulam reações químicas em organismos.[6]

Portanto, há uma hipótese abrangentemente difundida de que a vida pode ter começado na Terra em águas termais, muito abaixo da superfície do oceano.[7] Há descobertas que denotam comunidades de microrganismos na crosta oceânica, que aparentemente vivem da energia das reações químicas entre a água e a rocha. Glud, um pesquisador que estudou bactérias vivendo na Fossa das Marianas (11 mil metros abaixo do nível do mar e ponto mais profundo conhecido do planeta) disse: “Você pode encontrar micróbios em todos os lugares – eles são extremamente adaptáveis às condições e sobrevivem onde quer que estejam”.[8]

Classificações

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Extremófilos é um termo abrangente, considerando que há ambientes extremos para cada variável ambiental no plante, como pressão, temperatura, pH, salinidade, concentração de metais, entre outros. Assim, a cada descoberta de microrganismos vivendo nessas condições expande as classes de extremófilos existentes até então. Vale ressaltar que uma classificação não é impeditiva a outra, e um mesmo ser vivo pode se enquadrar em diversas classes, dependendo das condições que habita ou suporta (poliextremófilos). Por exemplo, um microorganismo vivendo no Deserto do Atacama pode ser xerófilo (meio extremamente seco), psicrófilo (resistente ao frio) e oligotrófico (ambiente com poucos nutrientes). [9]

Variável Condição Local Limites Exemplos
pH Acidófilo Fontes vulcânicas, drenagem ácida de mina pH<3 Picrophilus
Alcalófilo Lagos alcalinos pH>9 Psychrobacter, Vibrio, Arthrobacter, Natronobacterium
O2 Anaeróbio (facultativo ou obrigatório) Solo, mar e profundezas da crosta da Terra <[O2] ou [O2]=0
CO2 Capnófilo >[CO2] Mannheimia succiniciproducens
Sal Halófilo Mar morto, Grande Lago Salgado 50g sais/L 2-5M NaCl Halobacteriaceae, Dunaliella salina
Açúcar Osmófilo
Pressão Hiperpiezófilo Fossa das Marianas >50MPa/493atm
Temperatura Termófilo >45ºC
Hipertermófilo Fontes hidrotermais submarinas, crosta oceânica >80ºC Pyrolobus fumarii, Pyrococcus furiosus
Psicrófilo/Criófilo Geleira 0<15ºC Rhodotorula glutinis
Nutrientes Oligotrófico Pouco nutrientes
Metais Metalotolerante Ferroplasma sp., Cupriavidus metallidurans e a cepa GFAJ-1
Enxofre Sulfófilo Sulfurovum epsilonproteobacteria
Radiação (ionizante, ultravioleta, nuclear) Radioresistentes Raios cósmicos, raios X, decaimento radioativo 1.500 até 6.000 Gy Deinococcus radiodurans, Rubrobacter, Thermococcus gammatolerans
Radiação UV (luz solar) 5.000 J/m2
Água Xerófilo Deserto do Atacama (Chile), Vales Secos de McMurdo (Antártica) wa<0,8 Chroococcidiopsis
Rocha Criptoendólito/Endólito
Hipólito (desertos frios) 		Minas de ouro, aquíferos, cascos de animais, corais, rochas em desertos Halicephalobus mephisto, Mylonchulus brachyurus

Astrobiologia

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Fonte hidrotermal no Oceano Atlântico

Astrobiologia é um campo multidisciplinar que estuda condições e eventos relacionados com o surgimento da vida, sua distribuição e evolução no universo. A física, química, biologia, astronomia, geologia, e diversas outras áreas são utilizadas para não apenas entender o surgimento e manutenção da vida como conhecemos, mas também como ela pode se manifestar em outros planetas ou luas, avaliando possíveis bioassinaturas e condições da biosfera geológicas do ambiente extraterrestre. Os extremófilos são de suma importância nesse contexto, dado que auxiliam no entendimento da diversidade da vida  das suas manifestações, como também nos limites que a vida como conhecemos pode prosperar e tolerar.[10]

Ambientes considerados extremos no mundo atualmente, antigamente podem ter sido os ambientes que haviam disponíveis em todo o planeta, e que a vida tinha que lidar com. Nesse sentido, podem ser os ambientes que hoje existem em diversos planetas e luas. Dentro da astrobiologia, os extremófilos auxiliam no entendimento dos limites da vida, demonstram evidências para entender a origem da vida na Terra e a terraformação, além de sugerirem locais onde a vida pode surgir e existir.[1]

Por exemplo, Marte talvez possua regiões abaixo da sua superfície que poderia abrigar comunidades endolitas. O oceano de água da lua Europa (um satélite natural do planeta Júpiter) talvez também possa abrigar vida, especialmente se hipotetizada a existência de uma saída hidrotérmica no fundo do oceano.

Estudos com extremófilos a respeito de Marte

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Um exemplo disso são desertos da Antártica expostos por radiação UV, baixa temperatura, alta concentração de sais e baixa concentração de minerais, condições essas similares com as de Marte. Então, caso se encontre organismos vivendo abaixo da superfície desse ambiente, pode-se sugerir a possibilidade de vida sob a superfície marciana. Nesse sentido, em 2014 foi confirmado a existência de microrganismos vivendo a 800 metros abaixo da superfície da Antártica.[11]

Outro estudo realizado pelo Centro Aeroespacial Alemão relatou que líquen sobreviveu e obteve resultados na adaptação da atividade fotossintética em condições marcianas.[12]

No ano seguinte, cientistas do Rensselaer Polytechnic Institute, financiado pela NASA, relataram adaptação de microrganismos no ambiente espacial, aumento no crescimento e na virulência quando comparados a na Terra.[13]

Outro estudo recente realizado por cientistas do Conselho Nacional de Pesquisa da Itália relatou que células da bactéria S. soflataricus sobreviveram à radiação marciana em um comprimento de onda letal para a maioria das bactérias, assim, não apenas os esporos  podem ser resistentes à radiação UV. [11]

Estudos com extremófilos a respeito da Panspermia

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Pesquisas envolvendo extremófilos cultivados a altas velocidades em uma ultracentrífuga (mais de 400.000 x a gravidade da Terra) demonstraram sobrevivência e crescimento celular nessas condições de bactérias como Paracoccus denitrificans. Isso sugere implicações a respeito da sobrevivência de microrganismos em estrelas massivas ou ondas de choque de supernovas e na viabilidade da panspermia.[14]

No mesmo sentido, pesquisadores da Brigham Young University relataram sobrevivência de endosporos de Bacillus subtilis a impactos de velocidades de aproximadamente 300 m/s, havendo a possibilidade da transferência desses esporos entre planetas por meio de meteoritos ou por perturbações na atmosfera como em pousos de espaçonaves.  E mais recentemente, estudos demonstraram que a bactéria Deinococcus radiodurans sobreviveu por três anos no espaço.[15]

Biotecnologia

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Diversos processos industriais resultam em contaminantes que podem ser diminuídos/removidos por meio da biotecnologia junto ao estudo dos potenciais de extremófilos.

Processos como o branqueamento de papel, tecidos, pasteurização de alimentos e descontaminação de embalagem de alimentos necessitam da remoção de peróxido de hidrogênio posterior. Uma opção é por meio da catálise termoalcafílica, pelo Thermus brockianus, que apresenta uma catálise estável em altas temperaturas e pH. Em 80ºC e pH 10, a catálise apresentou meia-vida de 15 dias, enquanto uma de Aspergillus niger teve uma meia-vida de 15 segundos.[16]

Bactérias extremófilas são extraídas das salinas mais altas da região de Puna, na Argentina, sendo utilizado como bioestimulante para auxiliar na tolerância de plantas à seca, estresse e salinidade, visto que aumenta a absorção de nitrogênio e solubiliza fosfato, aumentando sua disponibilidade.[17]

Além disso, como a Taq polimerase, uma DNA polimerase termoestável proveniente da bactéria Thermus aquaticus, uma extremófila encontrada em fontes hidrotermais, é utilizada na amplificação de fragmentos de DNA.[18]

Transferência de DNA

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Outra utilização comum de microrganismos dentro da biotecnologia é a transformação genética, na qual há a transferência horizontal de DNA de uma célula para outra. Há espécies procarióticas conhecidas por serem naturalmente competentes para essa transferência, e, recentemente, descobriu-se que vários extremófilos são capazes de realizar essa transformação genética a partir de diferentes mecanismos.[19]

Um exemplo é a bactéria Deinococcus radiodurans, um poliextremófilo cujas células receptoras reparam danos do DNA por irradiação UV tão eficientemente quanto das próprias células. O arqueia halofílico Halobacterium volcanii cria pontes citoplasmáticas em qualquer direção para promover a transferência de DNA entre células.[20]

As arqueias hipertermofílicas Sulfolobus solfataricus e Sulfolobus acidocaldarius ao sofrerem com um expositor que pode danificar o DNA, ocorre agregação celular espécie-específica, ocorrendo alta taxa de troca de marcadores cromossômicos. Assim, as taxas de recombinação excedem as de culturas não induzidas em até três ordens de grandeza. Portanto, há a hipótese de que a agregação celular pode aumentar a transferência de DNA espécie-específica, buscando reparar o DNA por meio da recombinação homóloga.[21][22]

Outro mecanismo é a transferência genética por meio de vesículas de membrana extracelular, em diferentes espécies hipertermófilas.[23]

Biorremediação

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Como as espécies sobrevivem em lugares inóspitos, elas sobrevivem em condições extremas e obtêm sua energia a partir deste local. Assim, um ser vivo biorremediador extremófilo pode ser utilizado para descontaminar locais que outros seres vivos não conseguiriam. Portanto, locais de difícil acesso e tratamento que são contaminados por poluentes antrópicos, podem ser biorremediados por extremófilos que suportem a pressão, falta de nutrientes e substâncias tóxicas que podem conter ali.[24]

Hidrocarbonetos

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Um derramamento de óleo pode ocasionar a deposição de metano a longas profundidades abaixo da superfície da água, como no derramamento da Deepwater Horizon, a 1,1 km abaixo do nível do mar.[25] Mesmo com a alta temperatura e pressão, Pseudomonas, Aeromonas e Vibrio foram encontradas e capazes de biorremediação.[26]

Metais

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Alguns microrganismos possuem genes/proteínas que auxiliam na tolerância e resistência para a captura de metais. Um deles é o Acidithiubacillus ferroxidans, que por possuir o gene merA que confere resistência ao mercúrio, é eficaz na remediação do mesmo em solo ácido.[27]

O Geobacillus thermodenitrificans tem a capacidade de diminuir a concentração de metais de efluentes industriais mesmo em calor extremo. Por outro lado, Deinococcus radiodurans podem limitar a contaminação de chumbo e cádmio, resultantes do ambiente oxidativo de arrozais.[28]

Materiais radioativos

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Bactérias que habitam meios radioativos são necessariamente extremófilas, e são visadas para buscar biorremediar radionuclídeos, dado a capacidade radiorresistente delas. Assim, há manipulação de bactérias resistentes a urânio (Shewanella putrefaciens, Geobacter metallireducens e algumas cepas de Burkholderia fungorum) que são manipuladas para produzirem proteínas que se liguem ao urânio em efluentes de mineração, facilitando sua coleta e descarte.[29]

Também foram elucidados fungos radiotróficos foram encontrados vivendo no interior e em torno do Reator Nuclear de Chernobyl.[30]

Ainda há animais que também possuem uma maior tolerância à radiação (organismos que suportam condições extremas, mas não vivem/properam nelas são chamados de extremotolerantes, como o tardígrado), como tartarugas que necessitam de 40.000 roentgens para matar 50% de sua população, enquanto para humanos são necessárias 800 roentgens.[31] Além disso, algumas células de mariposas e borboletas resistiram 10x mais radiação gama que células humanas.[32]

Ver também

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Referências

  1. ↑ a b Merino, Nancy; Aronson, Heidi S.; Bojanova, Diana P.; Feyhl-Buska, Jayme; Wong, Michael L.; Zhang, Shu; Giovannelli, Donato (15 de abril de 2019). «Living at the Extremes: Extremophiles and the Limits of Life in a Planetary Context». Frontiers in Microbiology. ISSN 1664-302X. PMC PMC6476344Acessível livremente Verifique |pmc= (ajuda). PMID 31037068. doi:10.3389/fmicb.2019.00780. Consultado em 29 de junho de 2023 
  2. ↑ Rothschild, Lynn J.; Mancinelli, Rocco L. (fevereiro de 2001). «Life in extreme environments». Nature (em inglês) (6823): 1092–1101. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/35059215. Consultado em 29 de junho de 2023 
  3. ↑ Shukla, Awadhesh Kumar; Singh, Amit Kishore (10 de julho de 2020). «Exploitation of Potential Extremophiles for Bioremediation of Xenobiotics Compounds: A Biotechnological Approach». Current Genomics (em inglês) (3): 161–167. doi:10.2174/1389202921999200422122253. Consultado em 29 de junho de 2023 
  4. ↑ «A descoberta nas fontes termais de Yellowstone, nos EUA, que se tornou chave para os testes da covid-19» 
  5. ↑ Sociedade Espanhola de Evolução Biológica. «De Sopa a Células – A Origem da Vida» 
  6. ↑ «A origem da vida pode ser uma fonte hidrotermal» 
  7. ↑ «Mars Exploration - Press kit» (PDF). NASA. Junho de 2003. Consultado em 14 de julho de 2009 
  8. ↑ «Microbes Thrive in Deepest Spot on Earth». Choi CQ. LiveScience. 17 de março de 2013 
  9. ↑ Yadav, Ajar Nath; Verma, Priyanka; Kumar, Murugan; Pal, Kamal K.; Dey, Rinku; Gupta, Alka; Padaria, Jasdeep Chatrath; Gujar, Govind T.; Kumar, Sudheer (junho de 2015). «Diversity and phylogenetic profiling of niche-specific Bacilli from extreme environments of India». Annals of Microbiology (em inglês) (2): 611–629. ISSN 1590-4261. doi:10.1007/s13213-014-0897-9. Consultado em 29 de junho de 2023 
  10. ↑ Ward PD, Brownlee D (2004). «The life and death of planet Earth.». New York: Owl Books. 
  11. ↑ a b Ehrenfreund, Pascale, ed. (2001). Exo-/Astro-biology: proceedings of the first European workshop, 21 - 23 May 2001, ESRIN, Frascati, Italy. Col: Special publications / European Space Agency. Noordwijk: European Space Agency 
  12. ↑ J.-P. P. de Vera (1), D. Schulze-Makuch (2), A. Khan (2), A. Lorek (1), A. Koncz (1), D. Möhlmann (1), and T. Spohn (1) (2012). «The adaptation potential of extremophiles to Martian surface conditions and its implication for the habitability of Mars» (PDF). Geophysical Research Abstracts 
  13. ↑ Kim, Wooseong; Tengra, Farah K.; Young, Zachary; Shong, Jasmine; Marchand, Nicholas; Chan, Hon Kit; Pangule, Ravindra C.; Parra, Macarena; Dordick, Jonathan S. (29 de abril de 2013). Beloin, Christophe, ed. «Spaceflight Promotes Biofilm Formation by Pseudomonas aeruginosa». PLoS ONE (em inglês) (4): e62437. ISSN 1932-6203. PMC PMC3639165Acessível livremente Verifique |pmc= (ajuda). PMID 23658630. doi:10.1371/journal.pone.0062437. Consultado em 29 de junho de 2023 
  14. ↑ Than, Ker (25 de abril de 2011). «Bacteria Grow Under 400,000 Times Earth's Gravity». National Geographic – Daily News. National Geographic Society 
  15. ↑ Reuell, Peter (8 de julho de 2019). «Harvard study suggests asteroids might play key role in spreading life». Harvard Gazette 
  16. ↑ «Bioenergy and Industrial Microbiology». Idaho National Laboratory. 18 de outubro de 2014 
  17. ↑ «Bactéria "extrema" protege planta da seca e solo pobre». AgroLink. 2 de setembro de 2022 
  18. ↑ Anitori, Roberto Paul (2012). Extremophiles: microbiology and biotechnology. Norfolk: Caister academic press 
  19. ↑ Johnsborg, Ola; Eldholm, Vegard; Håvarstein, Leiv Sigve (dezembro de 2007). «Natural genetic transformation: prevalence, mechanisms and function». Research in Microbiology (em inglês) (10): 767–778. doi:10.1016/j.resmic.2007.09.004. Consultado em 29 de junho de 2023 
  20. ↑ Moseley, B E; Setlow, J K (setembro de 1968). «Transformation in Micrococcus radiodurans and the ultraviolet sensitivity of its transforming DNA.». Proceedings of the National Academy of Sciences (em inglês) (1): 176–183. ISSN 0027-8424. doi:10.1073/pnas.61.1.176. Consultado em 29 de junho de 2023 
  21. ↑ Fröls, Sabrina; Ajon, Malgorzata; Wagner, Michaela; Teichmann, Daniela; Zolghadr, Behnam; Folea, Mihaela; Boekema, Egbert J.; Driessen, Arnold J. M.; Schleper, Christa (9 de outubro de 2008). «UV-inducible cellular aggregation of the hyperthermophilic archaeon Sulfolobus solfataricus is mediated by pili formation: UV-inducible cellular aggregation». Molecular Microbiology (em inglês) (4): 938–952. doi:10.1111/j.1365-2958.2008.06459.x. Consultado em 29 de junho de 2023 
  22. ↑ Ajon, Małgorzata; Fröls, Sabrina; van Wolferen, Marleen; Stoecker, Kilian; Teichmann, Daniela; Driessen, Arnold J. M.; Grogan, Dennis W.; Albers, Sonja-Verena; Schleper, Christa (novembro de 2011). «UV-inducible DNA exchange in hyperthermophilic archaea mediated by type IV pili: UV-inducible DNA exchange in hyperthermophilic archaea». Molecular Microbiology (em inglês) (4): 807–817. doi:10.1111/j.1365-2958.2011.07861.x. Consultado em 29 de junho de 2023 
  23. ↑ Gaudin, Marie; Gauliard, Emilie; Schouten, Stefan; Houel-Renault, Ludivine; Lenormand, Pascal; Marguet, Evelyne; Forterre, Patrick (fevereiro de 2013). «Hyperthermophilic archaea produce membrane vesicles that can transfer DNA: Membrane vesicles from Thermococcales». Environmental Microbiology Reports (em inglês) (1): 109–116. doi:10.1111/j.1758-2229.2012.00348.x. Consultado em 29 de junho de 2023 
  24. ↑ Frid, Christopher L. J.; Caswell, Bryony A. (23 de novembro de 2017). Marine Pollution (em inglês). 1. [S.l.]: Oxford University Press 
  25. ↑ Margesin, R.; Schinner, F. (1 de setembro de 2001). «Biodegradation and bioremediation of hydrocarbons in extreme environments». Applied Microbiology and Biotechnology (5-6): 650–663. ISSN 0175-7598. doi:10.1007/s002530100701. Consultado em 29 de junho de 2023 
  26. ↑ Duarte, Alysson Wagner Fernandes; dos Santos, Juliana Aparecida; Vianna, Marina Vitti; Vieira, Juliana Maíra Freitas; Mallagutti, Vitor Hugo; Inforsato, Fabio José; Wentzel, Lia Costa Pinto; Lario, Luciana Daniela; Rodrigues, Andre (19 de maio de 2018). «Cold-adapted enzymes produced by fungi from terrestrial and marine Antarctic environments». Critical Reviews in Biotechnology (em inglês) (4): 600–619. ISSN 0738-8551. doi:10.1080/07388551.2017.1379468. Consultado em 29 de junho de 2023 
  27. ↑ Takeuchi, Fumiaki; Iwahori, Kenji; Kamimura, Kazuo; Negishi, Atsunori; Maeda, Terunobu; Sugio, Tsuyoshi (janeiro de 2001). «Volatilization of Mercury under Acidic Conditions from Mercury-polluted Soil by a Mercury-resistant Acidithiobacillus ferrooxidans SUG 2-2». Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry (em inglês) (9): 1981–1986. ISSN 0916-8451. doi:10.1271/bbb.65.1981. Consultado em 29 de junho de 2023 
  28. ↑ Chatterjee, S.K.; Bhattacharjee, I.; Chandra, G. (março de 2010). «Biosorption of heavy metals from industrial waste water by Geobacillus thermodenitrificans». Journal of Hazardous Materials (em inglês) (1-3): 117–125. doi:10.1016/j.jhazmat.2009.09.136. Consultado em 29 de junho de 2023 
  29. ↑ Marques, Catarina R. (1 de junho de 2018). «Extremophilic Microfactories: Applications in Metal and Radionuclide Bioremediation». Frontiers in Microbiology. ISSN 1664-302X. PMC PMC5992296Acessível livremente Verifique |pmc= (ajuda). PMID 29910794. doi:10.3389/fmicb.2018.01191. Consultado em 29 de junho de 2023 
  30. ↑ Castelvecchi, Davide (26 de maio de 2007). «Dark Power: Pigment seems to put radiation to good use». Science News. 
  31. ↑ «Tortoise blood fights radiation sickness». 6 de maio de 2002 
  32. ↑ Chandna, S.; Dwarakanath, B. S.; Seth, R. K.; Khaitan, D.; Adhikari, J. S.; Jain, V. (abril de 2004). «Radiation responses of Sf9, a highly radioresistant lepidopteran insect cell line». International Journal of Radiation Biology (em inglês) (4): 301–315. ISSN 0955-3002. doi:10.1080/09553000410001679794. Consultado em 29 de junho de 2023 

Ligações externas

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