Αρχαιοβακτήρια, τι γνωρίζουµε και ποιά η σηµασία τους στη ζωή

Transcript

1 Αρχαιοβακτήρια, τι γνωρίζουµε και ποιά η σηµασία τους στη ζωή Περίληψη Τζώρτζη Αικατερίνη Η προκαρυωτική ζωή είναι η πρώτη µορφή ζωής που εµφανίστηκε στη Γη. Διακρίνουµε δύο οµάδες προκαρυωτικών οργανισµών: τα ευβακτήρια και τα αρχαιοβακτήρια ή Αρχαία. Αν και τα δύο είναι µορφολογικά όµοια, διαφέρουν τόσο πολύ φυλογενετικά και στη µοριακή αρχιτεκτονική που µπορεί να θεωρηθούν, από βιοχηµική άποψη, ότι διαφέρουν τόσο πολύ µεταξύ τους, όσο διαφέρουν από τα ευκαρυωτικά κύτταρα. Το τοίχωµα των αρχαιοβακτηρίων δεν περιέχει πεπτιδογλυκάνες και οι µεµβράνες τους περιέχουν χαρακτηριστικά λιπίδια µε διακλαδωµένα λιπαρά οξέα. Τα περισσότερα των αρχαιοβακτηρίων ζουν σε ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες, σε περιβάλλοντα µε υψηλή αλατότητα, χαµηλή συγκέντρωση οξυγόνου, υψηλή θερµοκρασία και ακραίες τιµές ph. Πιστεύεται ότι σχηµατίστηκαν στην ηφαιστειογενή περίοδο για να προστατέψουν µικρές µορφές γενετικού υλικού. Διακρίνονται σε τρείς οµάδες µε βάση το περιβάλλον που ζουν: τα µεθανογόνα που είναι αυστηρά αναερόβια και παράγουν µεθάνιο, τα αλόφιλα που αναπτύσσονται σε ιδιαίτερα υπέρτονες συνθήκες χρησιµοποιώντας αλάτι για την παραγωγή ΑΤΡ, και τα θερµοοξειδόφιλα που ζουν σε εξαιρετικά υψηλές θερµοκρασίες και όξινο περιβάλλον. Έχουν ήδη χαρακτηριστεί περίπου 500 είδη αρχαιοβακτηρίων, αλλά µπορεί να υπάρχουν πάρα πολλά ακόµα. Υπολογίζεται ότι τα αρχαιοβακτήρια παράγουν περίπου το 30% της βιοµάζας της γης (οι µεγαλύτερες ποσότητες παράγονται στον Ανταρκτικό ωκεανό). Έχουν χρησιµοποιηθεί σε πλήθος εφαρµογών, όπως π.χ. για τον καθαρισµό ληµµάτων και νερού καθώς και σε διάφορες άλλες βιοτεχνολογικές εφαρµογές. 1 Εισαγωγή Ταξινόµηση προκαρυωτικών οργανισµών Χαρακτηριστικά προκαρυωτικών-ευκαρυωτικών οργανισµών 3 2 Αρχαιοβακτήρια Δοµικά χαρακτηριστικά αρχαιοβακτηρίων Οµάδες Αρχαιοβακτηρίων Εφαρµογές των αρχαιοβακτηρίων 9 Βιβλιογραφία Εισαγωγή Όλοι οι οργανισµοί που σήµερα διαβιούν στη γη, πιστεύεται ότι έχουν προέλθει από µια κοινή προγονική κυτταρική µορφή που εµφανίστηκε πριν από τουλάχιστον 3,8 δισεκατοµµύρια χρόνια. Η παραδοχή αυτή βασίζεται σε συγκριτικές µελέτες κυτταρικής και µοριακής βιολογίας, βιοχηµείας και γενετικής, οι οποίες υποδεικνύουν ότι όλα τα διαφορετικά είδη οργανισµών διαθέτουν τα ίδια συστατικά (άτοµα, µόρια, βιοµόρια), τον ίδιο γενετικό κώδικα, την ίδια κυτταρική οργάνωση και τους ίδιους µηχανισµούς µεταβολισµού. Η εξελικτική πορεία από το πρωτόγονο αυτό «πρωτοκύτταρο» ή «πρωτοοργανισµό» προς τους µετέπειτα προκαρυωτικούς και ευκαρυωτικούς οργανισµούς, υπήρξε προϊόν συνδυασµού εξελικτικών µηχανισµών που αφορούσαν τη δηµιουργία µεταλλαγών και την εγκαθίδρυσή τους σε επίπεδο πληθυσµού [1]. Σήµερα, η βιόσφαιρα του πλανήτη µας φιλοξενεί µια µεγάλη ποικιλία µορφών ζωής. Με βάση τις οµοιότητες και τις διαφορές τους σε όλα τα δυνατά επίπεδα εκδήλωσης της ζωής (µορφολογία, φυσιολογία, γενετική σύσταση, οικολογία, συµπεριφορά κ.τ.λ.) εκτιµάται ότι υφίσταται σήµερα στον πλανήτη Γη, µεγάλος αλλά όµως αβέβαιος αριθµός ειδών. Η επιστηµονική ονοµασία κάθε είδους ακολουθεί συγκεκριµένη ονοµατολογία. Ο

2 2 ακριβής αριθµός των σηµερινών ειδών δεν µπορεί να προσδιοριστεί, κυρίως λόγω της αδυναµίας αντικειµενικού και µη αµφισβητούµενου ορισµού της έννοιας του «είδους». Όπως αναφέρει ο Robert May (βλ.scientific American, October 1992, pp ) ο αριθµός των ειδών ποικίλλει από περίπου 3 έως 30 εκατοµµύρια είδη. Σήµερα ο βαθµός αβεβαιότητας έχει διευρυνθεί (2 έως 100 εκατοµµύρια είδη) αλλά οι περισσότεροι σχετικοί επιστήµονες θεωρούν ως µέγιστο τα περίπου 10 εκατοµµύρια. Πάντως σύµφωνα µε τον Edward O. Wilson, ο συνολικός αριθµός των σηµερινών ειδών, µε καλά περιγεγραµµένη ταξινοµική θέση, ανέρχεται γύρω στα 1,4 εκατοµµύρια (4.760 είδη βακτηρίων και κυανοφυκών-µονήρη-, είδη πρωτόζωων, φυκιών, είδη µυκήτων και είδη ανώτερων φυτών. Από τα µετάζωα ενδεικτικά αναφέρουµε ότι υπάρχουν είδη εντόµων, είδη άλλων αρθροπόδων, είδη µαλακίων, είδη πτηνών, είδη ερπετών και είδη θηλαστικών) [1]. Παρά την όποια ασάφεια, στο πλέον θεµελιώδες επίπεδο οι ζωντανοί οργανισµοί διακρίνονται σε δύο κύριες κατηγορίες, τους προκαρυωτικούς και τους ευκαρυωτικούς µε σαφείς διαφορές ως προς τη µορφολογία και τη φυσιολογία τους. Με όρους ταξινοµικής, κατατάσσονται σε τρείς επικράτειες: Αρχαιοβακτήρια ή Αρχαία, Ευβακτήρια ή Βακτήρια και Ευκαρυωτικά ή Ευκάρυα. Η διαίρεση αυτή έχει προταθεί από τον Carl Woese κατά τη δεκαετία του 1990 και βασίζεται σε συγκριτική ανάλυση γονιδίων rrna. Η πρόταση του Woese αναθεώρησε την παλαιότερη διάκριση των οργανισµών σε πέντε βασίλεια που είχε προταθεί το 1969 από τον Robert Whittaker αν και µέχρι σήµερα η ονοµατολογία του Whittaker εξακολουθεί να χρησιµοποιείται για τις βασικές κατηγορίες των οργανισµών. Τα πέντε βασίλεια είναι τα εξής: Μονήρη (όλοι οι προκαρυωτικοί οργανισµοί), Πρώτιστα (Πρωτόζωα), Μύκητες, Φυτά (Χλωροφύκη, Ροδοφύκη, Φαιοφύκη, Βρυόφυτα, Τραχεόφυτα) και στα Μετάζωα [1]. Οι προκαρυωτικοί οργανισµοί, τα Μονήρη σύµφωνα µε την κατάταξη του Whittaker, διακρίνονται σε Βακτήρια, Σχιζοµύκητες και Κυανοφύκη. Σήµερα διαιρούνται σε δύο «Υπερβασίλεια»: τα Αρχαιοβακτήρια (ή Αρχαία) και τα Ευβακτήρια (ή Βακτήρια) [1] Ταξινόµηση προκαρυωτικών οργανισµών Η ταξινόµηση των προκαρυωτικών οργανισµών βρίσκεται στη 2 η έκδοση του Bergey s Manual of Systematic Bacteriology. Οι πρώτοι δύο τόµοι έχουν δηµοσιευθεί και προσεχώς αναµένονται οι επόµενοι τρεις τόµοι. Στο Bergey s Manual, οι προκαρυωτικοί οργανισµοί ταξινοµούνται σε δύο Επικράτειες: τα Βακτήρια και τα Αρχαία. Η κάθε επικράτεια διαιρείται σε Φύλα. Τα Αρχαία περιλαµβάνουν 4 φύλα, ενώ τα Βακτήρια 23 φύλα (Πίνακας 1). Οι οµοταξίες διαιρούνται σε Υφοµοταξίες και οι Υφοµοταξίες σε Οικογένειες, οι Οικογένειες σε Γένη και τα Γένη σε Είδη. Η ταξινόµηση οφείλεται σε οµοιότητες της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας του rrna [1,2]. Η έννοια του είδους είναι κάπως διαφορετική στους προκαρυωτικούς οργανισµούς. Στους ευκαρυωτικούς οργανισµούς, το είδος περιλαµβάνει στενά συγγενικούς οργανισµούς, που διασταυρώνονται µεταξύ τους. Αντιθέτως, η κυτταρική διαίρεση των βακτηρίων δε συνδυάζεται άµεσα µε σύζευξη. Σύζευξη παρατηρείται σπάνια στα βακτήρια και όχι αποκλειστικά µεταξύ ατόµων του ίδιου είδους. Συνεπώς, το είδος στους προκαρυωτικούς οργανισµούς ορίζεται απλώς ως ένας πληθυσµός κυττάρων µε παρόµοια χαρακτηριστικά. Τα µέλη ενός βακτηριακού είδους δεν µπορούν να διακριθούν µεταξύ τους, διακρίνονται ωστόσο από τα µέλη άλλων ειδών, βάσει ορισµένων χαρακτηριστικών. Τα βακτήρια που αναπτύσσονται σε δεδοµένο χρόνο επάνω σε συγκεκριµένο θρεπτικό υλικό, ονοµάζονται «καλλιέργηµα». Ένα καθαρό καλλιέργηµα είναι συχνά κλώνος, δηλαδή πληθυσµός κυττάρων που προέρχεται από ένα µοναδικό µητρικό κύτταρο. Όλα τα κύτταρα ενός κλώνου θα πρέπει να είναι πανοµοιότυπα. Ωστόσο, σε ορισµένες περιπτώσεις, καθαρά καλλιεργήµατα του ίδιου είδους δεν είναι πανοµοιότυπα σε όλα τους τα χαρακτηριστικά. Κάθε τέτοια οµάδα καλείται στέλεχος. Τα διαφορετικά στελέχη χαρακτηρίζονται µε αριθµούς, γράµµατα ή ονόµατα που αναφέρονται µετά το όνοµα του είδους [2].

3 3 Πίνακας 1: Τα φύλα των Αρχαιοβακτηρίων και των Ευβακτηρίων [1] Αρχαιοβακτήρια ή Αρχαία Crenarchaeota Euryarchaeota Korarchaeota Nanoarchaeota Ευβακτήρια ή Βακτήρια Actinobacteria Aquificae Bacteroidetes Chlorobi Chlamydiae Verrucomicrobia Chloroflexi Chrysiogenetes Cyanobacteria Deferribacterales Deinococcus-Thermus Dictyoglomi Acidobacteria Fibrobacteres Firmicutes Fusobacteria Nitrospirae Plancomycetes Proteobacteria Spirochaetes Thermodesulfobacteria Thermomicrobia Thermotogae 1.2. Χαρακτηριστικά προκαρυωτικών-ευκαρυωτικών οργανισµών Η παρουσία πυρήνα χρησιµοποιείται ως βάση για µια απλή αλλά θεµελιώδη ταξινόµηση όλων των έµβιων οργανισµών. Συγκεκριµένα, οι οργανισµοί των οποίων τα κύτταρα έχουν πυρήνα αποκαλούνται ευκαρυωτικοί, ενώ εκείνοι που αποτελούνται από κύτταρα χωρίς πυρήνα αποκαλούνται προκαρυωτικοί. Οι όροι βακτήρια και προκαρυωτικοί γενικά θεωρούνται ισοδύναµοι, µολονότι, όπως θα δούµε, στους προκαρυωτικούς κατατάσσεται µια επιπλέον κατηγορία κυττάρων που διαφέρουν πολύ από τα συνηθισµένα βακτήρια, τα αρχαιοβακτήρια [3]. Τα προκαρυωτικά και τα ευκαρυωτικά κύτταρα έχουν παρόµοια χηµική δοµή, υπό την έννοια ότι και τα δύο περιέχουν νουκλεϊκά οξέα, πρωτείνες, λιπίδια και υδατάνθρακες. Χρησιµοποιούν τα ίδια είδη χηµικών αντιδράσεων για να µεταβολίσουν την τροφή τους, να κατασκευάσουν τις πρωτεΐνες τους και να αποθηκεύσουν ενέργεια. Οι κύριες διαφορές τους εντοπίζονται στη δοµή των τοιχωµάτων και των κυτταροπλασµατικών µεµβρανών και στην απουσία οργανιδίων [2]. Τα κύρια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των προκαρυωτικών είναι τα ακόλουθα [2]: 1. To DNA τους δεν εσωκλείεται µέσα σε µεµβράνη και είναι συνήθως ένα µοναδικό κυκλικό χρωµόσωµα. 2. Το DNA τους δεν συνδέεται µε ιστόνες (ειδικές χρωµοσωµικές πρωτεΐνες που βρίσκονται στα ευκαρυωτικά). Υπάρχουν διαφορετικές πρωτεΐνες που συνδέονται µε το DNA. 3. Στερούνται οργανιδίων που περιβάλλονται από µεµβράνη. 4. Τα κυτταρικά τους τοιχώµατα σχεδόν πάντα περιέχουν το σύνθετο πολυσακχαρίτη πεπτιδογλυκάνη. 5. Διαιρούνται συνήθως µε διχοτόµηση. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το DNA αντιγράφεται και το µητρικό κύτταρο διαχωρίζεται σε δύο θυγατρικά κύτταρα. Η διχοτόµηση περιλαµβάνει λιγότερες δοµές και διαδικασίες από την ευκαρυωτική κυτταρική διαίρεση. Τα ευκαρυωτικά κύτταρα έχουν τα ακόλουθα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά [2]: 1. Το DNA τους βρίσκεται στον πυρήνα του κυττάρου, ο οποίος χωρίζεται από το κυτταρόπλασµα µε µια πυρηνική µεµβράνη και το DNA βρίσκεται σε πολλά χρωµοσώµατα.

4 4 2. Το DNA τους συνδέεται στενά µε χρωµοσωµικές πρωτεΐνες που αποκαλούνται ιστόνες και µη ιστόνες. 3. Έχουν αρκετά διαφορετικά οργανίδια που περιβάλλονται από µεµβράνη, συµπεριλαµβανοµένων των µιτοχονδρίων, του ενδοπλασµατικού δικτύου, του συµπλέγµατος Golgi, των λυσοσωµάτων και µερικές φορές των χλωροπλαστών. 4. Τα κυτταρικά τοιχώµατα, όταν υπάρχουν, έχουν απλή χηµική δοµή. 5. Η κυτταρική διαίρεση περιλαµβάνει τη µίτωση, κατά την οποία τα χρωµοσώµατα αντιγράφονται και όλα τα νέα χρωµοσώµατα σχηµατίζουν ένα καινούριο πυρήνα. Ακολουθεί η διαίρεση του κυτταροπλάσµατος και των οργανιδίων σε δύο ίσα µέρη και προκύπτουν δύο πανοµοιότυπα θυγατρικά κύτταρα. Στον πίνακα 2 που ακολουθεί παρουσιάζονται οι σηµαντικότερες διαφορές µεταξύ των ευκαρυωτικών και προκαρυωτικών οργανισµών. Πίνακας 2: Διαφορές προκαρυωτικών-ευκαρυωτικών Προκαρυωτικοί Ευκαρυωτικοί Ύπαρξη κυτταρικού πυρήνα Όχι Ναι Κυτταρικά οργανίδια (µιτοχόνδριαχλωροπλάστες) Τρόπος αναπαραγωγής Σχάση Μίτωση ή µείωση Μεταβολισµός Αναερόβιος και αερόβιος Αερόβιος Κυτταρική οργάνωση Μονοκύτταροι Κυρίως πολυκύτταροι µε διαφοροποίηση κυττάρων 2. Αρχαιοβακτήρια Παραδοσιακά, όλα τα βακτήρια εθεωρείτο ότι ανήκουν στην ίδια µεγάλη οµάδα. Ωστόσο, µοριακές αναλύσεις αποκαλύπτουν ότι η κατηγορία των προκαρυωτών πρέπει να διαιρεθεί σε δύο ανεξάρτητες επικράτειες: τα ευβακτήρια και τα αρχαιοβακτήρια ή αρχαία. Η ανακάλυψη των Αρχαίων ως µια τρίτη επικράτεια ήταν ένα πολύ σηµαντικό επιστηµονικό επίτευγµα. Προέκυψε την στιγµή που η επιστηµονική µικροβιολογία διένυε µια αργά εξελισσόµενη περίοδο. Η επιστηµονική κοινότητα είχε την γενική αίσθηση ότι όλες οι σηµαντικές επιστηµονικές ανακαλύψεις είχαν ήδη γίνει και ότι η εποχή των µεγάλων εξερευνητικών αποστολών είχε τελειώσει. Συγκεκριµένα, στα τέλη της δεκαετίας του 1970, ανακαλύφθηκε ένας ιδιόµορφος τύπος προκαρυωτικού κυττάρου, το κυτταρικό τοίχωµα του οποίου δεν περιείχε πεπτιδογλυκάνη, όπως των περισσότερων άλλων βακτηρίων. Αργότερα διαπιστώθηκε ότι τα βακτήρια αυτά διέθεταν κοινές αλληλουχίες rrna, διαφορετικές από εκείνες τόσο της Επικράτειας των Βακτηρίων, όσο και των ευκαρυωτικών οργανισµών. Οι διαφορές αυτές ήταν τόσο σηµαντικές που οι οργανισµοί αυτοί αποτελούν σήµερα µια νέα ταξινοµική οµάδα, την Επικράτεια Αρχαία [2,3,4]. Τα περισσότερα των αρχαιοβακτηρίων ζουν σε ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες, στις οποίες καµιά άλλη σύγχρονη µορφή ζωής δεν µπορεί να επιβιώσει, αλλά οι οποίες πιθανόν να αποτελούσαν το κυρίαρχο περιβάλλον κατά την πρώτη περίοδο εξέλιξης των προκαρυωτικών οργανισµών. Αποικίζουν συχνά περιβάλλοντα ακραίων θερµοκρασιών, κρύου, οξύτητας και πίεσης. Πρόκειται για κύτταρα που ζουν σε πολύ αλµυρό νερό, σε θερµές όξινες ηφαιστειακές πηγές, στον πυθµένα της θάλασσας, σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας αποβλήτων και στο όξινο αναερόβιο περιβάλλον του στοµάχου µιας αγελάδας, όπου αποδοµούν την κυτταρίνη και παράγουν µεθάνιο. Πολλοί από τους παραπάνω βιότοπους θυµίζουν τις αντίξοες συνθήκες που πρέπει να επικρατούσαν στην αρχέγονη Γη, όταν πρωτοεµφανίστηκαν έµβια όντα, προτού η ατµόσφαιρα εµπλουτιστεί σε οξυγόνο [3,5,6] Δοµικά χαρακτηριστικά αρχαιοβακτηρίων Πρόκειται για µια ετερογενής οµάδα βακτηρίων που εµφανίζει µεγάλη ποικιλοµορφία. Τα κύτταρα των Αρχαίων εµφανίζουν µορφολογία κόκκου, βακτηριδίου και έλικας, ορισµένα όµως έχουν και ιδιόµορφα σχήµατα. Ορισµένα είναι gram-θετικά, ενώ άλλα είναι gramαρνητικά. Τα κύτταρά τους έχουν διάµετρο που κυµαίνεται από 0.1 έως 15 µm. Ορισµένα διαιρούνται µε διχοτόµηση, ενώ άλλα µε κατακερµατισµό ή εκβλάστηση. Ορισµένα δε διαθέτουν κυτταρικό τοίχωµα. Η φυσιολογία των οργανισµών αυτής της Επικράτειας επίσης ποικίλλει. Άλλοι είναι αερόβιοι, άλλοι δυνητικά αναερόβιοι και άλλοι αυστηρώς αναερόβιοι. Όχι Ναι

5 5 Όσον αφορά τον τρόπο ανάπτυξης, υπάρχουν χηµειοαυτότροφα, φωτοαυτότροφα και χηµειοετερότροφα [2,5,6]. Τα κυτταρικά τοιχώµατα των αρχαιοβακτηρίων δεν έχουν πεπτιδογλυκάνη, η δε λιπιδιακή σύσταση των πλασµατικών µεµβρανών τους διαφέρει από εκείνη οποιουδήποτε άλλου οργανισµού. Η RNA πολυµεράση και οι ριβοσωµικές τους πρωτεΐνες είναι πολύ διαφορετικές από εκείνες των ευβακτηρίων. Συγκεκριµένα, κανένα από τα Αρχαία δεν έχει µουραµικό οξύ ή D-αµινο οξέα στα κυτταρικά του τοιχώµατα, χηµικά µόρια που είναι χαρακτηριστικά της πεπτιδογλυκάνης στα βακτήρια. Συνεπώς η πενικιλλίνη, που αναστέλλει το στάδιο της τρανσπεπτιδίωσης στη σύνθεση της πεπτιδογλυκάνης, είναι αναποτελεσµατική ενάντια αυτών των προκαρυωτικών οργανισµών. Σε µερικά Αρχαία (Methanobacterium, Methanothermus και Methanobrevibacter) σχηµατίζεται µια ψευδοπεπτιδογλυκάνη που αποτελείται από επαναλαµβανόµενα µόρια N-ακετυλογλουκοσαµίνης και Ν- ακετυλοταλοσαµινουρονικών οξέων και L-αµινο οξέων (όχι D-αµινο οξέων όπως στην πεπτιδογλυκάνη των ευβακτηρίων). Η N-ακετυλογλουκοσαµίνη και τα Ν-ακετυλοταλοσαµινουρονικά οξέα συνδέονται µε ανθεκτικούς στη λυσοζύµη β(1,3) δεσµούς αντί των ευαίσθητων στη λυσοζύµη β(1,4) δεσµών που υπάρχουν στην πεπτιδογλυκάνη των Ευβακτηρίων. Μερικά µεθανογόνα αρχαιοβακτήρια (π.χ. Μethanolobus) και αρκετά ακραίως θερµόφιλα (π.χ. Sulfolobus, Pyrodictium και Thermoproteus) έχουν κυτταρικά τοιχώµατα από γλυκοπρωτεΐνη, ενώ κάποια άλλα µεθανογόνα (π.χ. Methanococcus και Methanomicrobium) έχουν κυτταρικά τοιχώµατα που αποτελούνται αποκλειστικά από πρωτεΐνη [5,6]. Η κυτταροπλασµατική µεµβράνη των Αρχαίων είναι χηµικά µοναδική. Παρουσιάζουν έλλειψη λιπαρών οξέων και έχουν τους διακλαδωµένης αλυσίδας υδρογονάνθρακες ισοπρενίου συνδεδεµένους µε γλυκερόλη µέσω αιθερικών (αντί για εστερικών) δεσµών. Έχουν πολικό και µη πολικό προσανατολισµό και σχηµατίζουν διπλοστοιβάδες λιπιδίων παρόµοιες µε αυτές των µεµβρανών των Ευβακτηρίων και των ευκαρυωτικών οργανισµών. Οι υδρογονάνθρακες διακλαδωµένης αλυσίδας προσδίδουν µεγαλύτερη µηχανική δύναµη και χηµική αντοχή στις κυτταροπλασµατικές µεµβράνες αρχαιοβακτηρίων όπως των Sulfolobus (ένα ακραίως θερµόφιλο αρχαιοβακτήριο που αναπτύσσεται σε πλούσιες σε θείο θερµές πηγές) και Halobacterium (ένα ακραίως αλόφιλο αρχαιοβακτήριο) [5]. Πίνακας 3: Σύγκριση Ευβακτηρίων-Αρχαιοβακτηρίων [4] Χαρακτηριστικά Βακτήρια Αρχαία Συστατικά κυτταρικού τοιχώµατος Μουρεΐνη Ψευδοµουρεΐνη, πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες Στρογγυλές και επίπεδες δοµές - + Ενδοσπόρια + - Ειδικά συνένζυµα - + Ευκαρυωτική RNA πολυµεράση - + Ολοκληρωµένη φωτοσύνθεση + - Μεθανογένεση - + Μέγιστη θερµοκρασία ανάπτυξης 90 ο C 110 ο C Aναστέλλονται από αντιβιοτικά Οµάδες Αρχαιοβακτηρίων Σύµφωνα µε το Bergey s Manual τα Αρχαιοβακτήρια διαιρούνται σε πέντε οµάδες: τα µεθανογόνα Αρχαία, τους αναγωγείς των θειικών, τα ακραίως αλόφιλα, τα Αρχαία άνευ κυτταρικού τοιχώµατος και τα ακραίως θερµοοξειδόφιλα. Στον πίνακα 4 που ακολουθεί φαίνονται τα αντιπροσωπευτικά είδη της κάθε οµάδας [5].

6 6 Πίνακας 4: Αντιπροσωπευτικά είδη Αρχαίων ανά οµάδα [5] Οµάδα Μεθανογόνα Αναγωγείς θειικών Ακραίως αλόφιλα Άνευ κυτταρικού τοιχώµατος Αρχαία Ακραίως θερµοοξειδόφιλα Αντιπροσωπευτικά είδη Methanobacterium Methanobrevibacter Metanococcus Methanolobus Methanomicrobium Methanosarcina Methanospirillum Methanothermus Archaeoglobus Halobacterium Halococcus Haloferax Natronobacterium Natronococcus Thermoplasma Desulfurolobus Pyrococcus Pyrodictium Sulfolobus Thermococcus Thermoproteus Μεθανογόνα Αρχαία Τα µεθανογόνα ονοµάζονται έτσι από τον µοναδικό τύπο ενεργειακού µεταβολισµού κατά τον οποίο το Η 2 χρησιµοποιείται για να ανάγει το CO 2 σε µεθάνιο (CH 4 ). Είναι αυστηρά αναερόβια και δηλητηριάζονται από το οξυγόνο. Ζουν σε βάλτους όπου άλλα µικρόβια έχουν καταναλώσει όλο το οξυγόνο. Το µεθάνιο εξέρχεται µε τη µορφή φυσαλίδων από τα έλη αυτά. Τα µεθανογόνα είναι επίσης σηµαντικοί αποικοδοµητές φυτικών υπολειµάτων. Μερικοί γεωργοί πειραµατίζονται στην δυνατότητα παραγωγής µεθανίου από φυτικά υπολείµµατα και κοπριές ζώων. Άλλα είδη µεθανογόνων υπάρχουν στα στοµάχια ζώων όπου παίζουν σηµαντικό ρόλο στη θρέψη βοοειδών, τερµιτών και άλλων φυτοφάγων όπου η δίαιτά τους κυριαρχείται από κυτταρίνη. Όλα τα γνωστά µεθανογόνα φαίνεται ότι µπορούν να αποµονωθούν από όλα τα αναερόβια περιβάλλοντα που ζουν σε υψηλές ή χαµηλές θερµοκρασίες. Μερικά θερµόφιλα µεθανογόνα έχουν αποµονωθεί από συστήµατα επεξεργασίας αποβλήτων αλλά τα περισσότερα έχουν αποµονωθεί από θερµές πηγές. Τα ακραίως θερµόφιλα µεθανογόνα, όπως το Methanothermus fervidus, είναι ουδετερόφιλα αυτότροφα που αναπτύσσονται σε Η 2 και CO 2. Έχουν αποµονωθεί από θερµές πηγές που το ph ήταν περίπου 6 αν και το ph ήταν πολύ όξινο στην επιφάνεια. Πολλά µεθανογόνα µπορούν να ανάγουν το θείο σε H 2 S. Γενικά, ο µεταβολισµός θειούχων συστατικών σε διάφορες µορφές είναι συνήθης στα Αρχαία. Πιστεύεται ότι οι µεθανογόνοι προκαρυώτες ήταν οι οργανισµοί που επικρατούσαν στην αρχέγονη Γη λόγω των µεγάλων ποσοτήτων διοξειδίου του άνθρακα που υπήρχαν και του ελάχιστου οξυγόνου [4,5,6]. Τα κύρια γένη των µεθανογόνων βακτηρίων που έχουν προσδιοριστεί είναι αυτά σε σχήµα ράβδου (Methanobacterium, Methanobacillus) και σε σχήµα σφαίρας (Methanococcus, Methanosarcina). Ένα από τα βασικότερα χαρακτηριστικά της µεθανογενούς οµάδας βακτηρίων είναι ο αρκετά περιορισµένος αριθµός υποστρωµάτων που χρησιµοποιούν ως πηγές ενέργειας για το σχηµατισµό µεθανίου. Μέχρι σήµερα, τα υποστρώµατα τα οποία είναι γνωστό ότι µπορούν να χρησιµοποιηθούν από τα µεθανογόνα βακτήρια είναι: το µυρµηκικό οξύ, η µεθυλαµίνη, διοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο, φορµαλδεϋδη, οξικό οξύ, µεθανόλη, µεθυλαµίνες και µονοξείδιο του άνθρακα. Τα πιο σηµαντικά βακτήρια της µεθανογενούς οµάδας είναι εκείνα που καταναλώνουν υδρογόνο και οξικό οξύ. Οι κυριότεροι δρόµοι σχηµατισµού του µεθανίου είναι [7,8,9,10]: 1. η µετατροπή του υδρογόνου και του διοξειδίου του άνθρακα σε µεθάνιο και νερό 2. η µετατροπή του οξικού οξεός σε µεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Στον πίνακα 5 που ακολουθεί παραθέτονται οι κυριότερες αντιδράσεις παραγωγής µεθανίου από βακτήρια. Ιδιαίτερη οικονοµική σηµασία έχει το αυστηρώς αναερόβιο µεθανοπαράγωγο

7 7 γένος Methanobacterium. Τα βακτήρια αυτά χρησιµοποιούνται στην κατεργασία των λυµάτων, όπου προσπορίζονται ενέργεια σχηµατίζοντας µεθάνιο από υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Απαραίτητο στάδιο της κατεργασίας των λυµάτων είναι η ενίσχυση της ανάπτυξης αυτών των µικροβίων, µέσα σε δεξαµενές αναερόβιας χώνευσης, για τη µετατροπή της ιλύος σε µεθάνιο. Η µέθοδος αναπτύσσεται παρακάτω στο σχετικό κεφάλαιο των εφαρµογών των αρχαιοβακτηρίων [2]. Πίνακας 5: Κυριότερες αντιδράσεις παραγωγής µεθανίου [7]. Αντιδράσεις ΔG o (KJ) Υπόστρωµα προϊόντα Τύπου CO 2 CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2O HCOOH +4H+ CH 4 + 3CO 2 + 2H 2O CO + 2H 2O CH 4 + 3CO Μεθυλοµάδες 4CH 3OH 3CH 4 + CO 2 + 2H 2O CH 3NH 3Cl + 2H 2O 3CH 4 + CO 2 + 4NH 4Cl -230 Οξικό CH3COO- + H 2O CH 4 + 3CO 2 + 2H 2O -31 Αναγωγείς θειικών Μόνο ένα γένος (Archaeoglobus) έχει αναγνωριστεί σαν αναγωγέας θειικών. Αυτός ο οργανισµός, ο οποίος αποµονώθηκε από θαλάσσιες υδροθερµικές πηγές, είναι ξεχωριστός για την ικανότητά του να χρησιµοποιεί θείο σαν δέκτη ηλεκτρονίων. Κύτταρα από Archaeoglobus αναπτύσσονται σε πολύ υψηλές θερµοκρασίες- 92 ο C -µε βέλτιστη θερµοκρασία τους 83 ο C. Το γένος αυτό παράγει συνένζυµο F 420 και µεθανοπτερίνη, δύο συνένζυµα που συναντώνται στα µεθανογόνα Αρχαία και σχετίζονται µε την παραγωγή µεθανίου. Φυλογενετικά, το Archaeoglobus βρίσκεται µεταξύ των µεθανογόνων και των ακραίως θερµοοξειδόφιλων Αρχαίων και µπορεί να είναι ένας ενδιάµεσος σύνδεσµος µεταξύ των δύο αυτών οµάδων [5]. Ακραίως αλόφιλα Τα ακραίως αλόφιλα Αρχαία επιβιώνουν σε περιβάλλον µε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις άλατος, περίπου επτά φορές µεγαλύτερες από τη συγκέντρωση άλατος στη θάλασσα, όπως στη Μεγάλη αλµυρή λίµνη (στην πολιτεία της Γιούτα των ΗΠΑ) και λίµνες που εξατµίζονται στον αέρα. Τα αλόφιλα µπορούν να επιβιώνουν στις υψηλές συγκεντρώσεις άλατος επειδή τα ένζυµά τους έχουν προσαρµοστεί στο να απαιτούν υψηλές συγκεντρώσεις άλατος για να δράσουν. Τα ριβοσώµατα και οι πρωτεΐνες του κυτταρικού τοιχώµατος αυτών των αρχαιοβακτηρίων απαιτούν για την σταθεροποίησή τους υψηλές συγκεντρώσεις άλατος [5]. Αυτά τα βακτήρια δεν µπορούν να ζυµώσουν τους υδατάνθρακες και δεν περιέχουν χλωροφύλλη και έτσι αρχικώς υποστηρίχθηκε ότι η ενέργειά τους προέρχεται από οξειδωτική φωσφορυλίωση. Η συναρπαστική ανακάλυψη ενός νέου συστήµατος φωτοφωσφορυλίωσης προέκυψε από τη µελέτη της κυτταροπλασµατικής µεµβράνης του Halobacterium halibium. Αποικίες αλοφίλων σχηµατίζουν ένα ροζ αφρό που το χρώµα του οφείλεται στη χρωστική βακτηριοροδοψίνη. Η βακτηριοροδοψίνη υπάρχει στην πλασµατική µεµβράνη, όπου απορροφά φως και χρησιµοποιεί την ενέργεια για να αντλεί ιόντα υδρογόνου έξω από το κύτταρο. Η κλίση ιόντων υδρογόνου οδηγεί τη σύνθεση του ΑΤΡ. Αυτό είναι ο απλούστερος µηχανισµός φωτοφωσφορυλίωσης και τα αλόφιλα µελετώνται σα συστήµατα µοντέλα για τη µετατροπή της ηλιακής ενέργειας [2,6]. Συγκεκριµένα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η κυτταροπλασµατική µεµβράνη του H. halibium χωρίζεται σε δύο µέρη (κόκκινο και πορφυρό) όταν το κύτταρο διασπάται και διαχωρίζονται τα συστατικά του. Το κόκκινο µέρος, που αποτελεί το µεγαλύτερο µέρος της µεµβράνης, περιέχει τα κυτοχρώµατα, τις φλαβοπρωτεΐνες και άλλα µέρη της αλυσίδας

8 8 µεταφοράς ηλεκτρονίων, τα οποία πραγµατοποιούν την οξειδωτική φωσφορυλίωση. Το πορφυρό µέρος είναι πιο ενδιαφέρον. Αυτή η πορφυρή µεµβράνη εµφανίζεται ως ευδιάκριτα εξαγωνικά δικτυωτά πλέγµατα µέσα στην κυτταροπλασµατική µεµβράνη. Το πορφυρό χρώµα προέρχεται από µια πρωτεΐνη που αποτελεί το 75% της πορφυρής µεµβράνης. Αυτή η πρωτεΐνη είναι παρόµοια µε την αµφιβληστροειδική χρωστική των ραβδωτών κυττάρων του ανθρώπινου µατιού, την ροδοψίνη και έτσι ονοµάστηκε βακτηριοροδοψίνη [2]. Περαιτέρω µελέτες έδειξαν ότι το H. halibium µπορεί να αναπτυχθεί παρουσία είτε φωτός είτε οξυγόνου αλλά δεν µπορεί να αναπτυχθεί όταν και τα δύο δεν είναι παρόντα. Αυτό έδειξε ότι το H. halibium µπορεί να λάβει ενέργεια µε τη χρησιµοποίηση δύο συστηµάτων, ένα που λειτουργεί παρουσία οξυγόνου (οξειδωτική φωσφορυλίωση) και ένα που λειτουργεί παρουσία φωτός (κάποιου είδους φωτοφωσφορυλίωσης). Το ποσοστό σύνθεσης ΑΤΡ από το H. halibium βρέθηκε να είναι υψηλότερο όταν τα κύτταρα προσλαµβάνουν φως µε µήκος κύµατος µεταξύ 550 και 600 nm, το οποίο αντιστοιχεί ακριβώς στο φάσµα απορρόφησης της βακτηριοροδοψίνης. Οι ερευνητές υπέθεσαν ότι η βακτηριοροδοψίνη, όπως η χλωροφύλλη ενεργεί ως αντλία πρωτονίων για να δηµιουργήσει µία κλίση πρωτονίων στην κυτταροπλασµατική µεµβράνη, δηµιουργεί µια κλίση πρωτονίων στην πορφυρή µεµβράνη. Αυτή η κλίση πρωτονίων µπορεί να οδηγήσει στη σύνθεση ΑΤΡ ή άλλων διαλυτών µεταφορέων [2]. Άνευ κυτταρικού τοιχώµατος Αρχαία Το Thermoplasma είναι ένας προκαρυωτικός οργανισµός που στερείται κυτταρικού τοιχώµατος και αναπτύσσεται σε σωρούς ανθρακούχων απορριµάτων. Το περιβάλλον αυτό είναι πλούσιο σε FeS, άνθρακα και οργανικά παραπροϊόντα που θερµαίνονται πολύ και οξειδώνονται µέσω αυτανάφλεξης των οργανικών προϊόντων. Το Thermoplasma, ένα θερµοοξειδόφιλο αρχαιοβακτήριο που αναπτύσσεται ευνοϊκότερα στους 55 ο C και σε ph 2, ακµάζει σε αυτό το περιβάλλον χρησιµοποιώντας τα οργανικά προϊόντα που παίρνει από το κάρβουνο. Η κυτταροπλασµατική µεµβράνη του Thermoplasma περιέχει έναν χηµικώς µοναδικό λιποπολυσακχαρίτη που αποτελείται από µια τετρααιθερική λιπογλυκάνη που περιέχει µονάδες γλυκόζης και µανόζης. Μαζί µε τις γλυκοπρωτεΐνες της µεµβράνης, αυτό και άλλα µόρια της µεµβράνης καθιστούν το Thermoplasma ικανό, χωρίς κυτταρικό τοίχωµα, να αντέχει στο χαµηλό ph και την υψηλή θερµοκρασία του περιβάλλοντος στο οποίο ζει. Φυλογενετικά, το Thermoplasma προσεγγίζει περισσότερο τα µεθανογόνα και ακραίως αλόφιλα αρχαιοβακτήρια παρά τα ακραίως θερµοοξειδόφιλα που µεταβολίζουν θείο [5]. Ακραίως θερµοοξειδόφιλα Τα ακραίως θερµοοξειδόφιλα Αρχαία περιλαµβάνουν τρεις τάξεις (Thermococcales, Thermoproteales, Sulfolobales) και τουλάχιστον εννέα γένη. Πολύ από τους µικροοργανισµούς αυτής της οµάδας είναι οξειδόφιλοι και µεταβολίτες του θείου. Τα Thermococcus και Pyrococcus, µέλη της τάξης Thermococcales, είναι υποχρεωτικά αναερόβιοι οργανισµοί που αναπτύσσονται κοντά σε υδροθερµικές πηγές στο βάθος της θάλασσας. Και οι δύο είναι χηµειοαυτότροφοι οργανισµοί που αναπτύσσονται σε πρωτεΐνες, άµυλο και άλλα οργανικά υλικά και χρησιµοποιούν το στοιχειακό θείο (S 0 ) σαν δέκτη ηλεκτρονίων, ανάγοντας το σε H 2 S κατά τη διάρκεια της αναερόβιας αναπνοής. Το Thermoproteus έχει παρόµοιες µεταβολικές ιδιότητες µε τα Thermococcus και Pyrococcus. Αναπτύσσεται σε θερµοκρασίες από 60 o C έως 96 o C και σε τιµές ph µεταξύ του 1.7 και 6.5. Συναντάται σε πλούσια σε θείο, θερµά, υδατικά περιβάλλοντα όπως θερµές πηγές. Το Sulfolobus, µέλος της τάξης Sulfolobales, είναι ένα θερµοοξειδόφιλο που αναπτύσσεται καλύτερα σε θερµοκρασίες από 75 o C έως 85 o C και τιµές ph µεταξύ 2 και 3. Είναι ένας υποχρεωτικά αερόβιος οργανισµός ικανός να οξειδώνει το S 0 ή το H 2 S σε H 2 SO 4 και να ενσωµατώνει CO 2 σε οργανικές µορφές του άνθρακα. Συναντάται σε θερµές θειούχες πηγές και σε παρόµοια περιβάλλοντα [5]. Οι υδροθερµικές πηγές στο θαλάσσιο πυθµένα παρέχουν το H 2 S και το CO 2. Καθώς το νερό υπερθερµαίνεται και περνά µέσα από ρωγµές του φλοιού της γης (υδροθερµικές πηγές), αντιδρά µε τα περιβάλλοντα πετρώµατα και διαλύει ιόντα µετάλλων, σουλφίδια και CO 2. Τα οικοσυστήµατα αυτά των πηγών εξαρτώνται από µια περίσσεια ενώσεων θείου στο καυτό νερό. Η συγκέντρωση του σουλφιδίου (S - 2 ) είναι τρεις φορές µεγαλύτερη από τη συγκέντρωση του µοριακού οξυγόνου γύρω από τέτοιες πηγές. Τέτοιες υψηλές συγκεντρώσεις σουλφιδίου είναι τοξικές για πολλούς οργανισµούς αλλά όχι σε αυτούς που κατοικούν σε αυτό το εξωτικό περιβάλλον. Μεµβράνες από βακτήρια αυξάνονται κατά µήκος των πηγών, όπου οι θερµοκρασίες υπερβαίνουν τους 100 o C. Αυτές είναι οι υψηλότερες

9 9 θερµοκρασίες που κάποιος οργανισµός µπορεί να αντέξει. Επάνω από την πηγή, όπυ οι θερµοκρασίες είναι περίπου 30 o C, η συγκέντρωση των βακτηρίων είναι περίπου τέσσερις φορές µεγαλύτερη από αυτή του νερού µακριά από τις πηγές και ο ρυθµός αύξησής τους είναι ίσος µε αυτόν των παραγωγικών, ηλιόλουστων παράκτιων νερών. Τα βακτήρια των πηγών αυτών δηµιουργούν ένα περιβάλλον στο οποίο είναι οι παραγωγοί που υποστηρίζουν άλλα ετερότροφα είδη (όπως µαλάκια και οστρακοειδή) και είδη που ζουν µε αποσύνθεση νεκρής οργανικής ύλης [2] Εφαρµογές των αρχαιοβακτηρίων Μεθανογόνα Τα µεθανογόνα αρχαιοβακτήρια χρησιµοποιούνται στην χρησιµοποιούνται στην κατεργασία των λυµάτων. Κατά το πρώτο στάδιο επεξεργασίας των λυµάτων (πρωτοβάθµια επεξεργασία), αποµακρύνονται τα µεγάλα επιπλέοντα υλικά και τα λύµατα ρέουν διαµέσου θαλάµων όπου αποµακρύνονται η άµµος και άλλα κοκκώδη στοιχεία, τα επιπλέοντα έλαια, λίπη και επιπλέοντα συγκρίµατα. Κατόπιν διέρχονται από δεξαµενές καθίζησης, όπυ καθιζάνει ακόµα µεγαλύτερη ποσότητα στερεών υλικών. Τα στερεά συστατικά των λυµάτων που συγκεντρώνονται στο βυθό των δεξαµενών αποτελούν τη λάσπη [11]. Η περαιτέρω επεξεργασία αυτής της ιλύος (λάσπης) γίνεται µέσα σε αναερόβιους χωνευτές ιλύος. Η διαδικασία της χώνευσης της λάσπης διεξάγεται µέσα σε µεγάλες δεξαµενές, όπου δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου οξυγόνο. Στη δευτερογενή επεξεργασία δίνεται έµφαση στη διατήρηση αερόβιων συνθηκών, έτσι ώστε η οργανική ύλη να µετατραπεί σε διοξείδιο του άνθρακα, νερό και στερεά απόβλητα που θα καθιζάνουν. Ωστόσο, ο αναερόβιος χωνευτής είναι σχεδιασµένος έτσι ώστε να ευνοεί την ανάπτυξη αναερόβιων βακτηρίων, ιδιαίτερα των µεθανογόνων αρχαιοβακτηρίων που µείωνουν την ποσότητα αυτών των στερεών οργανικών ουσιών διασπώντας τις σε διαλυτές ενώσεις και αέρια, κυρίως µεθάνιο (60-70%) και διοξείδιο του άνθρακα (20-30%). Το µεθάνιο και το διοξείδιο του άνθρακα είναι σχετικά αβλαβή τελικά προϊόντα, αντίστοιχα του διοξειδίου του άνθρακα και του νερού που παράγεται από την αερόβια επεξεργασία. Το µεθάνιο χρησιµοποιείται ως καύσιµο για τη θέρµανση του χωνευτή και για τη λειτουργία του εξοπλισµού των εγκαταστάσεων [11]. Τρία είναι τα στάδια στη δραστηριότητα του αναερόβιου χωνευτή ιλύος. Το πρώτο στάδιο είναι η παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα και οργανικών οξέων κατά την αναερόβια ζύµωση της λάσπης από διάφορα αναερόβια και δυνητικά αναερόβια µικρόβια. Στο δεύτερο στάδιο, τα οργανικά οξέα µεταβολίζονται σχηµατίζοντας υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα, καθώς επίσης και οργανικά οξέα όπως το οξεικό οξύ. Τα προϊόντα αυτά αποτελούν τις πρώτες ύλες ενός τρίτου σταδίου, στο οποίο τα µεθανογόνα αρχαιοβακτήια παράγουν µεθάνιο. Το µεθάνιο είναι ουσιαστικά αδιάλυτο στο νερό κι έτσι διαχωρίζεται εύκολα από τη λάσπη στην αέρια φάση και αποµακρύνεται από το σύστηµα [10,11,12]. (οργανική ύλη) + (οξεογόνα βακτήρια) (ενδιάµεσες ενώσεις) + CO 2 + H 2 S + H 2 O (οργανικά οξέα) + (µεθανογόνα Αρχαία) CH 4 + CO 2 Τα κύρια πλεονεκτήµατα της αναερόβιας επεξεργασίας έναντι της αερόβιας είναι δυο. Πρώτον, η επεξεργασία αυτή παρέχει ενέργεια υπό τη µορφή του µεθανίου και δεύτερον, ο όγκος της ιλύος που παράγεται είναι δέκα φορές µικρότερος από αυτόν της αερόβιας διαδικασίας. Κατά συνέπεια, στην αντιµετώπιση αποβλήτων πολύ υψηλού φορτίου, η αναερόβια διεργασία χρησιµοποιείται περισσότερο, αφού τα προβλήµατα διάθεσης που δηµιουργεί ο παραγόµενος όγκος λάσπης αντιµετωπίζονται πολύ ευκολότερα. Η όλη διεργασία αναπαρίσταται στο ακόλουθο διάγραµµα (σχήµα 1) [12]. Σχήµα 1: Αναερόβια υποβάθµιση του οργανικού υλικού [13] ΣΥΝΘΕΤΑ ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ ΠΡΩΤΕΙΝΕΣ ΛΙΠΙΔΙΑ

10 10 ΑΠΛΟΥΣΤΕΡΑ ΔΙΑΛΥΤΑ ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ C 2 C 8 (ΠΡΟΠΙΟΝΙΚΑ, ΒΟΥΤΥΡΙΚΑ κ.α.) 4% 20% 24% 52% H 2 +CO 2 ΟΞΙΚΑ 28% 72% CH 4 CO 2 Άνευ κυτταρικού τοιχώµατος Αρχαία Οι ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο του Όουκ Ριτζ στο Tennessee έχουν ταυτοποιήσει δύο Αρχαία που ζουν κοντά σε υδροθερµικές ωκεάνιες πηγές που θα µπορούσαν να δώσουν λύση στο πρόβληµα των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας. Το Thermoplasma acidophilus και ο Pyrococcus furiosus µπορούν να παράγουν καύσιµα, αέριο υδρογόνο και έναν εξωκυττάριο πολυσακχαρίτη από γλυκόζη. Ένα πρόσθετο όφελος είναι ότι ο πολυσακχαρίτης παράγεται σε µεγάλες ποσότητες και µπορεί να έχει βιοµηχανικές εφαρµογές-παραδείγµατος χάριν, πηκτικό σε τρόφιµα ή άλλα προϊόντα [2]. Ακραίως θερµοοξειδόφιλα Οι DNA πολυµεράσες (ένζυµα που συνθέτουν DNA) που αποµονώνονται από αυτά τα δύο Αρχαία χρησιµοποιούνται στην αλυσιδωτή αντίδραση πολυµεράσης (PCR), µια τεχνική που πολλαπλασιάζει και δηµιουργεί πολλά αντίγραφα DNA. Στην PCR, το µονόκλωνο DNA προκύπτει µε τη θέρµανση του δίκλωνου DNA στους 98 o C και µετά την ψύξη του η πολυµεράση µπορεί να αντιγράψει κάθε µονόκλωνο σκέλος. Η πολυµεράση του DNA από το Thermococcus litoralis, που καλείται VentR, και από τον Pyrococcus, που καλείται Deep VentR δεν αποδιατάσσονται στους 98 o C. Αυτά τα ένζυµα µπορούν να χρησιµοποιηθούν στους αυτόµατους θερµοκυκλοποιητές για να επαναλάβουν κύκλους θέρµανσης και ψύξης, που επιτρέπουν τη δηµιουργία πολλών αντιγράφων DNA. Η VentR και η Deep VentR προσθέτει βάσεις στο DNA µε ρυθµό περίπου 1000 βάσεων ανά λεπτό [2]. Ακραίως αλόφιλα Τα αρχαιοβακτήρια µπορούν να χρησιµοποιηθούν στην κατασκευή ταχύτερων και εξυπνότερων Η/Υ. Στο κέντρο µοριακής ηλεκτρονικής του πανεπιστηµίου των Συρακουσών ο Robert Birge καλλιέργησε Halobacterium για πέντε ηµέρες σε δεξαµενές πέντε λίτρων και αποµόνωσε την βακτηριοροδοψίνη από τα κύτταρα. Ο Birge ανέπτυξε ένα νέο µικροϋπολογιστή από ένα λεπτό στρώµα βακτηριοροδοψίνης. Οι συµβατικοί υπολογιστές αποθηκεύουν πληροφορίες σε λεπτούς σχηµατισµούς από πυρίτιο. Οι υπολογιστές επεξεργάζονται τις πληροφορίες αυτές καθώς τα ηλεκτρόνια του ηλεκτρικού ρεύµατος ανοιγοκλείνουν διακόπτες πυριτίου, δίνοντας σε κάθε διακόπτη την τιµή µηδέν ή ένα. Τα ηλεκτρόνια που περνούν µέσω ενός διακόπτη αντιπροσωπεύουν το ένα και ο διακόπτη που σταµατά τη ροή ηλεκτρονίων αντιπροσωπεύει το µηδέν. Εντούτοις, το πυρίτιο δεν µπορεί να αντιδράσει πολύ γρήγορα στις µεταβολές του ηλεκτρικού ρεύµατος και έτσι δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί µε ευχέρεια σε εφαρµογές τεχνητής νοηµοσύνης ή ροµπότ. Αντίθετα, το

11 11 τσιπ βακτηριοροδοψίνης είναι σε θέση να αποθηκεύσει περισσότερες πληροφορίες από ένα τσιπ πυριτίου και να επεξεργαστεί τις πληροφορίες γρηγορότερα, όπως και ο ανθρώπινος εγκέφαλος. Το τσιπ βακτηριοροδοψίνης λειτουργεί µε φως, που διαθέτει µεγαλύτερη ταχύτητα από αυτήν της ροής ηλεκτρονίων. Το πράσινο φως αναγκάζει την πρωτεΐνη να διπλώσει. Μια διπλωµένη πρωτεΐνη αντιπροσωπεύει το ένα, ενώ µια ξετυλιγµένη πρωτεΐνη το µηδέν. Φως από λέιζερ χρησιµοποιείται για να δει τη διαµόρφωση της πρωτεΐνης [2]. Μέχρι στιγµής, το πρωτεϊνικό τσιπ πρέπει να αποθηκεύεται σε θερµοκρασία -4 ο C για να διατηρεί τη δοµή του, αλλά ο Birge και οι συνάδερφοί του είναι αισιόδοξοι ότι θα επιλύσουν αυτό το πρόβληµα. Ρώσοι επιστήµονες έχουν κατασκευάσει έναν πρωτεϊνικό επεξεργαστή για στρατιωτικά ραντάρ και οι ΗΠΑ χρησιµοποιούν τα πρωτεϊνικά τσιπ στα στρατιωτικά τους αεροπλάνα. Εάν ένα τέτοιο αεροπλάνο συντριβεί, θα καταστραφεί µαζί του και το σύστηµα ψύξης, καταστρέφοντας κατά συνέπεια το τσιπ και προστατεύοντας έτσι τις διαβαθµισµένες πληροφορίες από την υποκλοπή. Τελικά αυτά τα µικρότερα, ταχύτερα και υψηλότερης χωρητικότητας τσιπ θα βοηθήσουν στην ανάπτυξη υπολογιστών που θα εκτελούν πιο πολύπλοκες λειτουργίες παρόµοιες µε την ανθρώπινη νοηµοσύνη, όπως όραση για ανθρώπους µε τύφλωση [2]. Βιβλιογραφία 1. Λ.Χ.Μαργαρίτης, Β.Κ.Γαλανόπουλος, Κ.Ε.Κεραµάρης, Ε.Σ.Μαρίνος, Ι.Σ. Παπασιδέρη, Δ.Ι.Σραβοπόδης, Ι.Π.Τραγκάκος, «Βιολογία Κυττάρου», 4 η Έκδοση, Ιατρικές εκδό-σεις Λίτσας, Αθήνα, G.J.Tortora, B.R.Funke, C.L.Case, «Εισαγωγή στη Μικροβιολογία», 1 ος τόµος, Εκδόσεις Πασχαλίδης, Αθήνα, Alberts, Bray, Hopkin, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Wafer, «Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας», 1 ος τόµος, 2 η έκδοση, Ιατρικές εκδόσεις Π.Χ.Πασχαλίδης, Αθήνα, J.K.Kristjansson, Thermophilic bacteria, CRC Press LLC, Florida, Daniel Lim, Microbiology, 2 nd edition, University of south Florida, MCB Companies, Ε.Αλεξανδρή, «Εισαγωγή στη Σύγχρονη Βιολογία», ΕΚΠΑ, Αθήνα, Α.Τσελεπιδάκης, «Αναερόβια χώνευση γλυκερίνης (απόβλητο της παραγωγής βιοντίζελ)», Πτυχιακή εργασία, Ανώτατο τεχνολογικό ίδρυµα Κρήτης, Ηράκλειο, Metcalf & Eddy, Wastewater Engineering, 3 th edition, McGrawHill International Editions, New York, Eckenfelder, W.W.Jr, Industrial Water Pollution Control, 2 nd edition, McGrawHill International Editions, New York, Α.Βλυσίδης, «Αξιοποίηση βιοµάζας-αναερόβια χώνευση», Ε.Μ.Π., Αθήνα, G.J.Tortora, B.R.Funke, C.L.Case, «Εισαγωγή στη Μικροβιολογία», 2 ος τόµος, Εκδόσεις Πασχαλίδης, Αθήνα, Φ.Ρήγας, «Επιστήµη και τεχνολογία περιβάλλοντος», Ε.Μ.Π., Αθήνα, WPCF manual of practice Νο.16, Anaerobic Sludge Digestion, 2 nd edition, WPCF publication, Washington, 1991.