Алкалифилы представляют собой класс экстремофильных микробов , способных выживать в щелочной среде ( рН примерно 8,5–11), оптимально растущих при рН 10. Эти бактерии можно далее разделить на облигатные алкафилы (те, которым для выживания требуется высокий уровень рН), факультативные алкалифилы. (те, которые способны выживать при высоком pH, но также растут и в нормальных условиях) и галоалкалифилы (те, которым для выживания требуется высокое содержание солей). [1]
Рост микробов в щелочных условиях представляет собой ряд осложнений для нормальной биохимической активности и размножения, поскольку высокий уровень pH вреден для нормальных клеточных процессов. Например, щелочность может привести к денатурации ДНК, нестабильности плазматической мембраны и инактивации цитозольных ферментов , а также к другим неблагоприятным физиологическим изменениям. [2] Таким образом, чтобы адекватно обойти эти препятствия, алкалифилы должны либо обладать специфическим клеточным механизмом, который лучше всего работает в щелочном диапазоне, либо они должны иметь методы подкисления цитозоля по отношению к внеклеточной среде. Чтобы определить, какую из вышеперечисленных возможностей использует алкалифил, эксперименты показали, что алкалифильные ферменты обладают относительно нормальным оптимумом pH. Установление того, что эти ферменты функционируют наиболее эффективно в физиологически нейтральных диапазонах pH (около 7,5–8,5), было одним из основных шагов в выяснении того, как алкалифилы выживают в сильно щелочных средах. Поскольку pH цитозоля должен оставаться почти нейтральным, у алкалифилов должен быть один или несколько механизмов подкисления цитозоля в присутствии сильнощелочной среды.
Алкалифилы поддерживают подкисление цитозоля как пассивными, так и активными способами. Было высказано предположение, что при пассивном закислении клеточные стенки содержат кислотные полимеры , состоящие из таких остатков, как галактуроновая кислота , глюконовая кислота , глутаминовая кислота , аспарагиновая кислота и фосфорная кислота . Вместе эти остатки образуют кислотную матрицу, которая помогает защитить плазматическую мембрану от щелочных условий, предотвращая проникновение гидроксид- ионов и позволяя поглощать ионы натрия и гидроксония . Кроме того, было обнаружено, что пептидогликан алкалифильной B. subtilis содержит более высокие уровни гексозаминов и аминокислот по сравнению с его нейтрофильным аналогом. Было показано, что когда алкалифилы теряют эти кислотные остатки в форме индуцированных мутаций, их способность расти в щелочных условиях сильно затрудняется. [1] Однако общепризнано, что пассивных методов цитозольного подкисления недостаточно для поддержания внутреннего уровня pH на 2–2,3 ниже уровня внешнего pH; также должны существовать активные формы подкисления. Наиболее охарактеризован метод активного закисления с помощью Na + /H + -антипортеров . В этой модели ионы H + сначала вытесняются через цепь переноса электронов в дышащих клетках и в некоторой степени через АТФазу в ферментирующих клетках. Эта экструзия протонов создает протонный градиент, который приводит в действие электрогенные антипортеры, которые вытесняют внутриклеточный Na + из клетки в обмен на большее количество ионов H + , что приводит к суммарному накоплению внутренних протонов. Это накопление протонов приводит к снижению цитозольного pH. Вытесненный Na + может быть использован для симпорта растворенных веществ, необходимых для клеточных процессов. Было отмечено, что для алкалифильного роста необходим Na + /H + -антипорт, тогда как нейтрофильные бактерии могут использовать либо K + /H + -антипортеры, либо Na + /H + -антипортеры . Если антипортеры Na + /H + отключаются вследствие мутации или других причин, бактерии становятся нейтрофильными. [2] [3]Натрий, необходимый для этой антипорт-системы, является причиной того, что некоторые алкалифилы могут расти только в соленой среде.
Помимо обсуждавшегося выше метода экструзии протонов, считается, что общий метод клеточного дыхания у облигатных алкалифилов отличается от нейтрофилов. Как правило, производство АТФ осуществляется путем установления протонного градиента (более высокая концентрация H+ вне мембраны) и трансмембранного электрического потенциала (с положительным зарядом вне мембраны). Однако, поскольку алкафилы имеют обратный градиент pH, может показаться, что производство АТФ, основанное на сильной протондвижущей силе , будет серьезно снижено. Однако верно и обратное. Было высказано предположение, что, хотя градиент pH изменился, трансмембранный электрический потенциал значительно увеличился. Это увеличение заряда приводит к выработке большего количества АТФ каждым транслоцированным протоном при прохождении через АТФазу. [2] [4] Исследования в этой области продолжаются.
Алкалифилы обещают несколько интересных применений для биотехнологий и будущих исследований. Алкалифильные методы регулирования рН и получения АТФ вызывают интерес научного сообщества. Однако, пожалуй, наибольший интерес алкалифилов вызывают их ферменты : щелочные протеазы ; ферменты, разлагающие крахмал; целлюлазы ; липазы ; ксиланазы; пектиназы; хитиназы и их метаболиты , в том числе: 2-фениламин; каротиноиды ; сидерофоры ; производные холевой кислоты и органические кислоты . Есть надежда, что дальнейшие исследования алкалифильных ферментов позволят ученым собирать ферменты алкалифилов для использования в основных условиях. [2] Исследования, направленные на обнаружение антибиотиков, производимых алкафилами, показали некоторый успех, но им мешал тот факт, что некоторые продукты, производимые при высоком pH, нестабильны и непригодны для использования в физиологическом диапазоне pH. [1]
Примеры алкалофилов включают Halorhodospira halochromis , Natronomonas pharaonis и Thiohalospira щелочефила . [5]