Введение
Организмы, живущие под высоким гидростатическим давлением Пиезофилом (от греческого "пиезо" - давление и "филе" - любовь) является организм с оптимальным ростом при высоком гидростатическом давлении, т.е. организм, который имеет максимальную скорость роста при гидростатическом давлении, равной или выше , при испытании при всех допустимых температурах. Первоначально для этих организмов использовался термин барофил, но поскольку префикс "baro" означает вес, предпочтение было отдано термину пьезофил. Как и все определения экстремофилов, определение пьезофилов антропоцентрично, и люди считают, что умеренные значения гидростатического давления составляют около 1 атм (= 0,1 МПа = 14,7 пс), тогда как эти "экстремальные" давления являются нормальными условиями жизни для этих организмов. Гиперпиезофилы - это организмы, максимальная скорость роста которых превышает 50 МПа (= 493 атм = 7252 пс). Хотя высокое гидростатическое давление оказывает пагубное воздействие на организмы, растущие при атмосферном давлении, эти организмы, которые встречаются только в местах обитания высокого давления в глубоком море, на самом деле нуждаются в высоком давлении для их оптимального роста. Часто их рост может продолжаться при гораздо более высоких давлениях (например, 100 МПа) по сравнению с теми организмами, которые обычно растут при низких давлениях. Он был изолирован из разлагающегося амфипода Hirondellea gigas с дна Марианской впадины. Первый термофильный пьезофильный архейный Pyrococcus yayanosii штамм CH1 был изолирован с сайта Ашадзе, глубоководного гидротермального отверстия. Стресс MT 41 имеет оптимальное давление роста при 70MPa при 2 °C, а штамм CH1 имеет оптимальное давление роста при 52MPa при 98 °C. Они не способны расти при давлении ниже или равном 20 МПа, и оба могут расти при давлении выше 100 МПа. Нынешний рекорд по наивысшему гидростатическому давлению, где наблюдался рост, составляет 140 МПа, показанный Colwellia marinimaniae MTCD1. Термин "обязательный пьезофил" относится к организмам, которые не способны расти при более низком гидростатическом давлении, например, 0,1 МПа. В отличие от этого, пьезотолерантные организмы - это те, которые имеют максимальную скорость роста при гидростатическом давлении менее 10 МПа, но тем не менее способны расти с более низкими темпами при более высоких гидростатических давлениях. Большая часть биосферы Земли (по объему) подвержена высокому гидростатическому давлению, а пьезосфера включает глубокое море (на глубине 1000 м и более) плюс глубокое подземное пространство (которое может простираться до 5000 м под морским дном или континентальной поверхностью). Средняя температура в глубине моря составляет от 1 до 3 °C, и в ней преобладают психопиезофилы. В отличие от этого, в глубоких подземных и гидротермальных отверстиях на морском дне доминируют термопиезофилы, которые процветают при температуре выше 45 ° C (113 ° F). Хотя изучение усвоения питательных веществ и метаболизма в пьезосфере все еще находится в зачаточном состоянии, понимается, что большая часть органического вещества, присутствующего в ней, представляет собой рефракторные сложные полимеры из эвтрофической зоны. В пьезосфере присутствуют как гетеротрофный метаболизм, так и автотрофная фиксация, и дополнительные исследования показывают значительный метаболизм железосодержащих минералов и окиси углерода. Для полного понимания и характеристики метаболизма пьезосферы необходимы дополнительные исследования.
A piezophile (from Greek "piezo " for pressure and " phile" for loving) is an organism with optimal growth under high hydrostatic pressure, i. e., an organism that has its maximum rate of growth at a hydrostatic pressure equal to or above , when tested over all permissible temperatures. Originally, the term barophile was used for these organisms, but since the prefix "baro " stands for weight, the term piezophile was given preference. Like all definitions of extremophiles, the definition of piezophiles is anthropocentric, and humans consider that moderate values for hydrostatic pressure are those around 1 atm (= 0.1 MPa = 14.7 psi), whereas those "extreme" pressures are the normal living conditions for those organisms. Hyperpiezophiles are organisms that have their maximum growth rate above 50 MPa (= 493 atm = 7,252 psi). Though the high hydrostatic pressure has deleterious effects on organisms growing at atmospheric pressure, these organisms which are solely found at high pressure habitats at deep sea in fact need high pressures for their optimum growth. Often their growth is able to continue at much higher pressures (such as 100MPa) compared to those organisms which normally grow at low pressures. It was isolated from a decaying amphipod Hirondellea gigas from the bottom of Mariana Trench. The first thermophilic piezophilic archaea Pyrococcus yayanosii strain CH1 was isolated from the Ashadze site, a deep sea hydrothermal vent. Strain MT 41 has an optimal growth pressure at 70MPa at 2 °C and strain CH1 has a optimal growth pressure at 52MPa at 98 °C. They are unable to grow at pressures lower than or equal to 20MPa, and both can grow at pressures above 100MPa. The current record for highest hydrostatic pressure where growth was observed is 140MPa shown by Colwellia marinimaniae MTCD1. The term "obligate piezophile" refers to organisms that are unable to grow under lower hydrostatic pressures, such as 0.1 MPa. In contrast, piezotolerant organisms are those that have their maximum rate of growth at a hydrostatic pressure under 10 MPa, but that nevertheless are able to grow at lower rates under higher hydrostatic pressures. Most of the Earth's biosphere (in terms of volume) is subject to high hydrostatic pressure, and the piezosphere comprises the deep sea (at the depth of 1,000 m and greater) plus the deep subsurface (which can extend up to 5,000 m beneath the seafloor or the continental surface). The deep sea has a mean temperature around 1 to 3 °C, and it is dominated by psychropiezophiles. In contrast, deep subsurface and hydrothermal vents in the seafloor are dominated by thermopiezophiles that prosper in temperatures above 45 °C (113 °F). Although the study of nutrient acquisition and metabolism within the piezosphere is still in its infancy, it is understood that most of the organic matter present are refractory complex polymers from the eutrophic zone. Both heterotrophic metabolism and autotrophic fixation are present within the piezosphere and additional research suggests significant metabolism of iron bearing minerals and carbon monoxide. Additional research is required to fully understand and characterize piezosphere metabolism.
Пизофильные адаптации
Высокое давление оказывает несколько воздействий на биологические системы. Применение давления приводит к сдвигу равновесия в сторону состояния, занимающего небольшой объем, и это изменяет межмолекулярные расстояния и влияет на конформации. Это также влияет на функциональность клеток. Пиезофилы используют несколько механизмов для адаптации к этим высоким гидростатическим давлениям. Они регулируют экспрессию генов в зависимости от давления, а также адаптируют свои биомолекулы к различным давлениям.
Нуклеиновые кислоты
Высокое давление стабилизирует водородные связи и взаимодействия склеивания ДНК. Таким образом, он способствует двойной нитевой дуплексной структуре ДНК. Однако для выполнения нескольких 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.
Клеточные мембраны
При увеличении давления текучесть клеточной мембраны снижается, поскольку из-за ограничений в объеме они меняют свою конформацию и упаковку. Это уменьшает проницаемость клеточной мембраны для воды и других молекул. В ответ на флуктуацию в окружающей среде они меняют структуру своей мембраны. Пиезофильные бактерии делают это, изменяя длину своей ациловой цепи, накапливая ненасыщенные жирные кислоты, накапливая специфические полярные группы и разветвленные жирные кислоты. Пиезофильные археи синтезируют полярные липиды на основе археола и серахеола, биполярные тетраэфирные липиды, включают циклопентанные кольца и увеличивают ненасыщенность. У видов, не переносящих давление, белки имеют тенденцию сжиматься и раскладываться под высоким давлением, поскольку общий объем уменьшается. Однако пиезофильные белки, как правило, имеют меньше пустого пространства и меньшие пустые пространства в целом, чтобы смягчить уплотнение и разворачивающееся давление. Также существуют изменения в различных взаимодействиях между аминокислотами. В общем, они очень устойчивы к давлению. Высокое давление также может вызвать дисбаланс в окислительных и редуцирующих реакциях, генерирующих относительно высокие концентрации реактивных видов кислорода (РОС). В пьезофилах обнаруживается увеличенное количество антиоксидационных генов и белков для борьбы с ROS, поскольку они часто вызывают повреждение клеток.