Введение

Экстремофильные микробы, способные выживать в щелочной среде (pH примерно 8,5–11). Алкалифилы – это класс экстремофильных микробов, способных выживать в щелочной среде (pH примерно 8,5–11), оптимально растущих при pH около 10. Эти бактерии могут быть дополнительно классифицированы как облигатные алкалифилы (требующие высокого pH для выживания), факультативные алкалифилы (способные выживать при высоком pH, но также растущие в нормальных условиях) и галоалкалифилы (требующие высокого содержания соли для выживания).

Основная информация

Микробный рост в щелочных условиях создает ряд осложнений для нормальной биохимической активности и размножения, поскольку высокий pH негативно влияет на нормальные клеточные процессы. Например, щелочность может приводить к денатурации ДНК, нестабильности плазматической мембраны и инактивации цитозольных ферментов, а также к другим неблагоприятным физиологическим изменениям. Таким образом, чтобы успешно преодолевать эти препятствия, алкалифилы должны либо обладать специфическими клеточными механизмами, оптимально работающими в щелочной среде, либо иметь способы подкисления цитозоля по отношению к внеклеточной среде. Для определения того, какой из этих вариантов используют алкалифилы, экспериментально было показано, что алкалифильные ферменты имеют относительно нормальные оптимальные значения pH. Установление того, что эти ферменты функционируют наиболее эффективно вблизи физиологически нейтральных диапазонов pH (около 7,5–8,5), стало одним из ключевых этапов в понимании того, как алкалифилы выживают в сильнощелочных условиях. Поскольку pH цитозоля должен оставаться близким к нейтральному, алкалифилы должны обладать одним или несколькими механизмами подкисления цитозоля в присутствии сильнощелочной среды.

Механизмы цитозольной окисления

Алкалифилы поддерживают подкисление цитозоля как пассивными, так и активными механизмами. В отношении пассивного подкисления было предложено, что клеточные стенки содержат кислые полимеры, состоящие из остатков, таких как галактуроновая кислота, глюконовая кислота, глутаминовая кислота, аспаргиновая кислота и фосфорная кислота. Вместе эти остатки формируют кислую матрицу, которая помогает защитить плазматическую мембрану от щелочных условий, предотвращая проникновение ионов гидроксида и способствуя поглощению ионов натрия и гидроксония. Кроме того, было обнаружено, что пептидогликан алкалифильной *B. subtilis* содержит более высокие уровни гексозаминов и аминокислот по сравнению с пептидогликаном ее нейтрафильного аналога. Показано, что потеря алкалифилами этих кислых остатков в результате индуцированных мутаций значительно ухудшает их способность расти в щелочных условиях. Необходимость натрия для этой антипортной системы объясняет, почему некоторые алкалифилы могут расти только в соленых средах.

Различия в производстве щелочно-лилифного АТФ

В дополнение к методу протонной экструзии, описанному выше, считается, что общий механизм клеточного дыхания у облигатных алкалифилов отличается от такового у нейтрофилов. Обычно, производство АТФ осуществляется за счет создания градиента протонов (более высокая концентрация H+ снаружи мембраны) и трансмембранного электрического потенциала (с положительным зарядом снаружи мембраны). Однако, поскольку у алкалифилов обращенный градиент pH, можно предположить, что производство АТФ, основанное на сильной протон-движущей силе, будет значительно снижено. Однако, наблюдается обратная картина. Предполагается, что, несмотря на обращение градиента pH, трансмембранный электрический потенциал значительно возрастает. Это увеличение заряда приводит к выработке большего количества АТФ каждым переносимым протоном при движении через АТФазу. Исследования в этой области продолжаются.

Применение и будущие исследования

Алкалифилы открывают несколько интересных возможностей для биотехнологии и будущих исследований. Алкалифильные методы регулирования pH и производства АТФ представляют интерес для научного сообщества. Однако, возможно, наибольший интерес к алкалифилам представляют их ферменты: щелочные протеазы, ферменты, расщепляющие крахмал, целлюлазы, липазы, ксиланазы, пектиназы, хитиназы, а также их метаболиты, включая: 2-фениламин, каротиноиды, сидерофоры, производные холевой кислоты и органические кислоты. Предполагается, что дальнейшие исследования алкалифильных ферментов позволят ученым использовать эти ферменты в щелочных условиях.