Введение
Организмы, обитающие в высокой концентрации соли.
Галофил (от греческого слова, означающего «любящий соль») — это экстремофил, который процветает в условиях высокой концентрации соли. С химической точки зрения, галофил относится к кислотному виду Льюиса, обладающему некоторой способностью извлекать галогениды из других химических соединений. Хотя большинство галофилов классифицируются в домен Archaea, существуют также бактериальные галофилы и некоторые эукариотические виды, такие как водоросль Dunaliella salina и гриб Wallemia ichthyophaga. Некоторые известные виды выделяют красный цвет благодаря каротиноидным соединениям, в частности бактериородопсину. Галофилы встречаются в водоемах с концентрацией соли, превышающей в пять раз концентрацию соли в океане, например, в Большом Солёном озере в штате Юта, озере Оуэнс в Калифорнии, озере Урмия в Иране, Мёртвом море и в испарительных прудах. Считается, что они могут служить аналогами для моделирования экстремофилов, которые потенциально могут обитать в солёном подповерхностном океане Европы, спутника Юпитера, и подобных ему.
A halophile (from the Greek word for 'salt loving') is an extremophile that thrives in high salt concentrations. In chemical terms, halophile refers to a Lewis acidic species that has some ability to extract halides from other chemical species. While most halophiles are classified into the domain Archaea, there are also bacterial halophiles and some eukaryotic species, such as the alga Dunaliella salina and fungus Wallemia ichthyophaga. Some well known species give off a red color from carotenoid compounds, notably bacteriorhodopsin. Halophiles can be found in water bodies with salt concentration more than five times greater than that of the ocean, such as the Great Salt Lake in Utah, Owens Lake in California, the Lake Urmia in Iran, the Dead Sea, and in evaporation ponds. They are theorized to be a possible analogues for modeling extremophiles that might live in the salty subsurface water ocean of Jupiter's Europa and similar moons.
Классификация
Галофилы классифицируются по степени своей галотолерантности: слабой, умеренной или экстремальной. Галофилы со слабой галотолерантностью предпочитают концентрацию соли от 0,3 до 0,8 М (1,7–4,8%) – морская вода содержит 0,6 М или 3,5%, галофилы с умеренной галотолерантностью – от 0,8 до 3,4 М (4,7–20%), а галофилы с экстремальной галотолерантностью – от 3,4 до 5,1 М (20–30%). Галофилам необходим хлорид натрия (соль) для роста, в отличие от галотолерантных организмов, которым соль не требуется, но которые способны расти в соленых условиях.
Образ жизни
Высокая соленость представляет собой экстремальную среду, в которой относительно немногочисленные организмы смогли адаптироваться и выжить. Большинство галофильных и все галотолерантные организмы затрачивают энергию на исключение соли из цитоплазмы, чтобы избежать агрегации белков («высаливания»). Для выживания в условиях высокой солености галофилы используют две различные стратегии для предотвращения обезвоживания посредством осмотического движения воды из цитоплазмы. Обе стратегии работают путем увеличения внутренней осмолярности клетки. Первая стратегия используется некоторыми археями, большинством галофильных бактерий, дрожжей, водорослей и грибов; организм накапливает органические соединения в цитоплазме – осмопротекторы, известные как совместимые растворы. Они могут быть синтезированы или накоплены из окружающей среды. Наиболее распространенными совместимыми растворами являются нейтральные или цвиттерионные, включая аминокислоты, сахара, полиолы, бетаины и эктоины, а также производные некоторых из этих соединений. Вторая, более радикальная адаптация включает в себя селективное поглощение ионов калия (K+) в цитоплазму. Эта адаптация ограничена исключительно экстремально галофильным семейством археев Halobacteriaceae, умеренно галофильным бактериальным порядком Halanaerobiales и экстремально галофильной бактерией Salinibacter ruber. Наличие этой адаптации в трех различных эволюционных линиях указывает на конвергентную эволюцию этой стратегии, маловероятно, что это древняя характеристика, сохранившаяся лишь в разрозненных группах или переданная посредством масштабного горизонтального переноса генов. Галоархеи, и в частности семейство Halobacteriaceae, являются членами домена Археи и составляют большинство популяции прокариот в гиперсоленых средах. В настоящее время в семействе выделяют 15 признанных родов. Домен Бактерий (в основном Salinibacter ruber) может составлять до 25% прокариотического сообщества, но чаще всего это гораздо меньший процент от общей численности. В некоторых случаях в этой среде может размножаться водоросль Dunaliella salina. Сравнительно широкий спектр таксонов был выделен из прудов кристаллизации соли, включая представителей следующих родов: Haloferax, Halogeometricum, Halococcus, Haloterrigena, Halorubrum, Haloarcula и Halobacterium, но часто встречается в исследованиях чистых культур.
Геномная и протеомная подпись
Сравнительный геномный и протеомный анализ показал наличие отчетливых молекулярных сигнатур, связанных с адаптацией галофилов к окружающей среде. На белковом уровне галофильные виды характеризуются низкой гидрофобностью, избытком кислотных аминокислотных остатков, недостатком цистеина, пониженной склонностью к формированию альфа-спиралей и повышенной склонностью к образованию неструктурированных участков (coil). Внутренняя часть этих белков менее гидрофобна, например, DHFR, у которого обнаружены более узкие β-листы. В одном исследовании было показано, что суммарный заряд (при pH 7,4) рибосомных белков (r-белков), входящих в кластер S10 spc, обратно коррелирует с уровнем галофильности/галотолерантности как у бактерий, так и у архей. На уровне ДНК галофилы демонстрируют специфическое использование динуклеотидов и кодонов.
Примеры
Halobacteriaceae – это семейство, включающее большую часть галофильных архей. Род Halobacterium, входящий в его состав, обладает высокой устойчивостью к повышенным уровням солёности. Некоторые виды галобактерий имеют кислые белки, устойчивые к денатурирующему действию солей. Halococcus – ещё один род семейства Halobacteriaceae. Некоторые гиперсолёные озёра служат средой обитания для многочисленных семейств галофилов. Например, впадина Макгадикгади в Ботсване формирует обширный сезонный водоём с высокой солёностью, в котором встречаются галофильные виды рода диатомовых водорослей Nitzschia из семейства Bacillariaceae, а также виды рода Lovenula из семейства Diaptomidae. Озеро Оуэнс в Калифорнии также содержит большую популяцию галофильной бактерии Halobacterium halobium. Wallemia ichthyophaga – это базидиомицетовый гриб, для роста in vitro которому требуется не менее 1,5 M хлорида натрия, и он хорошо развивается даже в среде, насыщенной солью. Обязательная потребность в соли – исключение для грибов. Даже виды, способные переносить концентрации соли, близкие к насыщению (например, Hortaea werneckii), в большинстве случаев хорошо растут в стандартных микробиологических средах без добавления соли. Ферментация солёных продуктов (таких как соевый соус, китайские ферментированные бобы, солёная треска, солёные анчоусы, квашеная капуста и т. д.) часто включает галофилов в качестве основных ингредиентов или случайных контаминантов. Одним из примеров является Chromohalobacter beijerinckii, обнаруженный в солёных бобах, консервированных в рассоле, и в солёной сельди. Tetragenococcus halophilus встречается в солёных анчоусах и соевом соусе. Артемия – широко распространённый род мелких галофильных ракообразных, обитающих в солёных озёрах (таких как Большое Солёное озеро) и соляных бассейнах, способный существовать в воде, приближающейся к точке насыщения NaCl (340 г/л) и выдерживать сильные осмотические шоки благодаря механизмам смягчения колебаний уровня солёности, таким как уникальная личиночная солевая железа и осморегуляторная способность. Овцы Норт-Рональдсэй – порода овец, происходящая из Оркнейских островов, Шотландия. У них ограниченный доступ к источникам пресной воды на острове, и их единственным источником пищи являются морские водоросли. Они адаптировались к перенесению концентраций соли, которые были бы смертельны для других пород овец.