+ All Categories
Home > Documents > st60‐100°C and at pH from

st60‐100°C and at pH from

Date post: 12-Jul-2020
Category:
Upload: others
View: 1 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
39
Transcript
Page 1: st60‐100°C and at pH from
Page 2: st60‐100°C and at pH from
Page 3: st60‐100°C and at pH from

41st Saas‐Fee course from Planets to Life 3‐9 April 2011 Lecture 3: The “top down” approach to understanding the origin of life – cont. 

•  Understanding the characterisFcs of the organisms close to the root of the tree – Most are extremophiles (grow at high temperatures, high and low pH, high salt, etc) •  Growth at low temperatures •  Growth at high and low pH •  Growth in high salt •  Growth and survival in dry environments 

•  Growth in extremely low nutrient environments 

Page 4: st60‐100°C and at pH from

Bacteria  Archaea  Eukarya 

Bacteria  Archaea  Eukarya 

Only one tree of life 

Present tree of life is a  branch of an exFnct  tree 

Was there only one tree of life on Earth? Does conFngency play a significant role in the origin of life as some think it did in the evoluFon of diversity of life forms? 

Baross, 1998 

Page 5: st60‐100°C and at pH from

(Deming, 2009)!

Page 6: st60‐100°C and at pH from

Psychrophiles 

•  Lowest temperature for growth ‐12°C, acFve metabolism <‐22°C.   

•  Evidence for survival at temperatures as low as ‐80°C (liquid nitrogen) 

•  Spores found in ice cores that are >1 million years old 

Page 7: st60‐100°C and at pH from

Psychrophiles: Tempmax < 20ºC 

         ←Photos by Jim Staley→ Polaromonas Topt = +4ºC   

Losest temperature for growth: Psychromonas ingrahami Topt= +4°C, Tmin= –12°C, Tmax= +10°C 

Marine sea ice 

Page 8: st60‐100°C and at pH from

Cultured phage‐bacterial host systems acFve at –1°C 

Middelboe et al., 2002 (seawater) Borriss et al., 2003 (sea ice) Wells and Deming, 2006 (both) 

Colwellia psychrerythraea strain 34H 

3 µm 

3 µm 

3 µm 

(Borriss et al., 2003) 

(Wells and Deming, 2006) 

Page 9: st60‐100°C and at pH from

Problems and Solutions: Psychrophiles  Problems!Prevent ice-crystal formation and cell

death!

Enable protein activity: enzymes must maintain significant catalytic activity at low temperature!

Maintain membrane function: the organism must maintain significant levels of nutrient transport at low temperature!

Solutions!Live in a briny habitat, produce

compatible solutes and/or exopolysaccharides (EPS) !

Make more flexible proteins (higher α-helix; lower β-sheet content)!

Make more polar and less hydrophobic proteins, with fewer weak bonds (ionic, hydrogen)!

Make lipids with greater content of short-chained, branched, and unsaturated fatty acids!

Page 10: st60‐100°C and at pH from

The Antarc>c ice‐fish (Channichthyidae) are the only known vertebrates without hemoglobin.  Consequently, their blood is transparent.  Their metabolism relies on the oxygen dissolved in the liquid blood and is absorbed directly through the skin from the water. This works because of the increased solubility of oxygen in cold water and is an adaptaFon to life at temperatures that are less than 0°C (icefish size 25 cm long) (Wikipedia) 

“I can see no limit to this power etc” (Darwin referring to natural selecFon” 

Page 11: st60‐100°C and at pH from

Summary – Temperature and life 

•  To date, the lowest temperature for growth is ‐12°C and the maximum temperature for growth is 122°C 

•  Low temperature microbes (psychrophiles) do not have ancient lineages –  Spore‐forming psychrophilic bacteria are of concern regarding planetary protecFon issues to icy planetary bodies 

•  High temperature microbes (hyperthermophiles) have ancient lineages – Hyperthermophiles are of interest regarding the origin of life and the origin of metabolism and eukaryotes 

–  The highest temperature for growth of a eukaryote is >60°C lower than the maximum temperature for a microbe 

Page 12: st60‐100°C and at pH from

0         1        2          3      4         5         6        7         8        9        10     11        12     13       14        

RoFfers 

Natronobacterium 

Bacillus firmus OF4 

  Spirulina 

 ProFsts 

 Lost City methanogens 

Plectonema 

Cyanidium 

Synechococcus 

Archaea 

Sphagnum 

Heather sedges 

pH range in hydrothermal vents 

Fungi 

Carp 

Ephydrid flies 

Soda lakes Acid mine drainage; geo‐ thermal sulfur sites 

Natronobacterium 

pH limits for life 

Page 13: st60‐100°C and at pH from

Acidic mud pot in Yellowstone Park ‐ home to the acidophile Sulfolobus acidocaldarius 

Red coloraFon on rocks near Naples, Italy produced by the hyperthermophile Sulfolobus solfataricus 

Sulfolobus acidocaldarius is an hyperthermophile that grows in acid hot springs, mud pots etc at temperatures from 60‐100°C and at pH from <1‐5. EM is X85,000 and fluourescent photomicrograph shows S. acidocaldarius amached to sulfur.  The organisms oxidizes S° to H2SO4 

S0 + 1+1/2 O2 + H2O → H2SO4 

CO2 → Cell material 

Sulfolobus spp growat pH <1 

Page 14: st60‐100°C and at pH from

The record holder for growth at low pH 

Picrophilus oshimae  pHopt = 0.7 (J. Bacteriol. 177: 7050, 1997) 

Picophilis oshimae is an Archaea that can grow at ph of 0.06 and is incapable of growing at pH 3 or higher.  P. oshimae growth at 45‐65°C and was isolated from solfutaric soils.  This organisms cannot maintain membrane integrity at pH higher than 4 

Page 15: st60‐100°C and at pH from

Growth curves of Picophilis osphimae 

Growth curves of P. oshimae at various pH values (OD = op>cal density) (from Puehler et al., J. Bacteriology 1995) 

Page 16: st60‐100°C and at pH from

Unusual Characteristics of Acidophiles The genome of Picrophilus torridus  (PNAS 101:9091, 2004) 

reveals:                                1. A very small genome ‐ the 1.55 Mbp P. torridus genome is near the smallest for free‐living heterotrophic aerobes.          2. High raFo of genes encoding Proton‐Motor‐Force ‐driven versus ATP‐driven transporters.                    3. High coding density; ~91% of genome encodes protein.            4. Extremely acid‐stable membrane proteins.             5. Extensive respiratory systems are necessary because of energeFc needs plus the need to consume protons.  Many genes encoding respiratory funcFons have been obtained by lateral transfer. 

Viruses of hyperthermophilic/acidophilic Archaea are extremely 

unusual (Res. Microbiol. 154:474, 2003). 

Page 17: st60‐100°C and at pH from

Problems and Solutions: Acidophiles 

Problems Solutions 1. Internal pH Remains above pH 4.5 due to impermeability of

the cytoplasmic membrane; DNA hydrolysis would be a problem at lower cytoplasmic pH values

2. Protein Stability/Function Proteins in wall and membrane contacting high [H+] are extremely acid-stable; cytoplasmic proteins must be somewhat acid-stable

3. Bioenergetics Proton motive force drives nutrient transport and ATP synthesis; ATP synthesis by ATPase is not a “free lunch”, since respiration requires electrons: 1/2 O2 + 2 e– + 2H+→ H2

Page 18: st60‐100°C and at pH from

ATPase H+ Pump 

    H+                                                     H+ 

    H+                                                     H+ 

Redox reacFons  alternaFng H and e‐ carriers (REDOX H+ PUMP) 

Chemical energy                                                                           Light energy       

(oxidaFve phosphorylaFon)                                                (photophos‐                                                                                                         phorylaFon) 

Coupling membrane 

The “bare bones” of chemiosmoFc coupling (Raven and Smith, 1978) 

An ion gradient has a potenFal energy and can be used to power chemical reacFons when the ions pass through a channel 

Chemiosmosis 

ATP 

Page 19: st60‐100°C and at pH from

Growth at high pH - Alkaliphiles: pHopt > 9 

SODA LAKE CHARACTERISTICS 

NaCl → low to high 

SO42– → low to high 

Mg2+, Ca2+ → extremely low 

HCO3– /CO3

2– → extremely high 

pH → 9–12 Lake Hamara, Libyan Desert, Egypt (Madigan) 

Record Holder: Natronobacterium magadii   pHopt= 10; pHmin= 8; pHmax= 11.5 

Page 20: st60‐100°C and at pH from

Properties of Alkaliphiles 1. Diversity:  

 a.   Many uncultured (presumably alkaliphilic) Bacteria and  Archaea exist in halo‐alkaline habitats (Extremophiles 

`````8:63, 2004). 

 b.   Many alkaliphiles are species from well‐known phyla of  Bacteria and Archaea. 

2. Alkalithermophiles:   a.    Many rapidly growing alkalithermophiles are known and 

  some have generaFon Fmes as short as 10 minutes. 

  b.  Some alkalithermophiles are also halophiles–the first “triple  extremophiles” known (temperature, salt, pH). 

Overview of Alkaliphiles: Prokaryotes 2: 283, 2006 

Page 21: st60‐100°C and at pH from

Problems and Solutions: Alkaliphiles 

Problems Solutions 1. Internal pH Remains below pH 9.5 due to

impermeability of the cytoplasmic membrane; RNA hydrolysis would be a problem at higher cytoplasmic pH values

2. Protein Stability/Function Proteins contacting the environment are stable to alkali and alkaliphilic; have applications as laundry proteases, lipases

3. High Salt Many alkaliphiles are also halophilic

4. Bioenergetics Na+ gradient (instead of H+ gradient) drives motility and transport, but a proton-motive force drives ATP synthesis

Page 22: st60‐100°C and at pH from

Mono Lake in California is very alkaline at pH 10 (2.5g NaOH/liter). The towers consist of calcium carbonate (FW mixes with alkaline springs).  Towers can be 10 m high. The salinity of Mono Lake is about 8.5% salts.  Brine shrimp and a diverse groups microorganisms live in the lake. 

Page 23: st60‐100°C and at pH from

Science 2008 

Page 24: st60‐100°C and at pH from

Arsenic driven photosynthetic bacteria discovered at Mono Lake 

  New Electron Donor for CO2 FixaFon  Cyanobacteria and green plants get their electrons from H2O 

     Anoxygenic photosyntheac bacteria use : H2, H2S, Fe2+, NO2

–, ‐ now arsenite (AsO3‐2) 

(Calvin Cycle: 6 CO2 + 24 H → C6H12O6 + 12 H2O)

Page 25: st60‐100°C and at pH from

The pelagic ocean  Hydrothermal vents* 

*Besides the use of hydrogen sulfide as an energy source, some microorganisms use hydrogen and methane gas or some metals like iron and manganese as sources of energy 

PosiFon of chemosynthesis within autotrophic metabolism.  Instead of light, the energy required for the reducFon of CO2 to organic‐carbon (CH2O) by photosyntheFc organisms, vent microbes use chemical energy including hydrogen sulfide (H2S) 

Other electron donors include H2, FeII, Arsenic 

Page 26: st60‐100°C and at pH from

AsO32– → AsO4

2– + 2 e‐ 

Arsinite                  Arsinate          

These electrons are available for photosynthesis by microbes in Mono Lake (Science 2008) 

Page 27: st60‐100°C and at pH from

Can arsenic subsFtute for phosphate in nucleic acids? 

2010 

Page 28: st60‐100°C and at pH from

Some issues with the Arsenic paper 

Statement in IntroducFon: “.. However, there are no prior reports of subs>tu>ons for any of 

the six major elements essen>al for life.” 

This is wrong – two prominent examples:      Arsenolipids (As for P) have been known since 2004, and 

Selenocysteine (Se for S) enzymes are well known 

“Alien organism” – no, the organism is a common, and late branching bacterium (Universal Tree) and known to tolerate high concentraFons of metals 

It is extremely difficult to achieve P limitaFon in microbes – they have very creaFve ways of storing P, and besides there was some P in the medium used for growth 

Page 29: st60‐100°C and at pH from

Bioessays 2011 

These authors discuss the literature of what is known about arsenic and biology and parFcularly where arsenic can subsFtute for phosphate in living organisms.  Arsenic can subsFtute for phosphate in lipids (membranes), for example. 

However, the authors point our that “there is an extremely rapid rate of spontaneous hydrolysis of arsenate esters that would make small molecules such as sugar/arsenates unstable 

and arsenic DNA and RNA rapidly fall apart”.  Authors conclude “considering the later consideraFon indicates that arsenic life seems unlikely”. 

Page 30: st60‐100°C and at pH from

Dry environments – related to high salt stress and the availability of water 

Most soils during summer months – microbes forms spores or resistant cycts AntarcFc dry valleys and high salt lakes Deserts (Death Valley, etc)  1. desert varnish (ferromanganese deposits)  2. Rock hosted microbes 

 Chile’s Atacama Desert (viable microbes below the surface)  Death Valley  1. Evaporites and brine areas 

Page 31: st60‐100°C and at pH from

Desert Varnish 

The sun‐baked boulders of the Alabama Hills in Owens Valley, California look like they were blackened by ancient campfires. They are actually coated with a black layer of clay and manganese oxide precipitated by colonies of  bacteria living on the rock surface for countless centuries. 

The thin layer of reddish iron oxide varnish on this rock surface has been etched to reveal the lighter granodiorite beneath.  Indian tribes uFlized desert varnish to create petroglyphs. 

Images and text from Eayne Armstrong, Palomar College, California 

Page 32: st60‐100°C and at pH from

Microbes in desert soils 

Sampling soil at Chile’s Alacama Desert – life found generally in suspended animaFon between desert rains.   

Page 33: st60‐100°C and at pH from

“Extreme microbes drink dew on spiderwebs to live” 

A spiderweb in a cave in the Atacama Desert where novel extremophile microbes were found living on the web’s silken threads. Credit: Armando Azua‐Bustos 

Page 34: st60‐100°C and at pH from

Deinococcus species are the most radiaFon resistant life form 

Deinicoccus radiodurans can survive extremely high doses of ionizing raFaFon (10,000 Gy).  For comparison, 5 Gy is lethal for humans, and 2000 Gy will sterilize a culture of Escherichia coli.  The resistance to radiaFon is due to the ability of D. radiodurans to repair 2S DNA breaks 

It is generally believed that the radiaFon resistance of D. radiodurans is from an adaptaFon to desiccaFon – a common occurrence for this organisms in soils 

Page 35: st60‐100°C and at pH from

Extreme Halophiles: NaClopt > 1.5 M 

Record Holder: Halobacterium salinarum   NaClopt = 4.5 M (~26%) 

Great Salt Lake, Utah (Brock) 

Sea Salt  Plant,   San Francisco Bay (NASA)  SEM of a Spanish 

Saltern (F. Rodriquez‐Valera) 

Overview of halophiles: Halophilic microorganisms and their environments (A. Oren ed.) Springer, 2002  

Brines: Science 342:1523, 2009 

Page 36: st60‐100°C and at pH from

Salt flats at Lake Magadi, Kenya; the red color Is from haloarchaea produced bacteriorhodopsin 

Salt flat in Australia 

Halobacterium salinariumis grows in 4‐5 M salt and can’t grow below 3M salt.  Freeze‐etch micrograph shows the surface structure of the cell membrane and reveals smooth patches of “purple membrane” (bacterio‐rhodopsin) embedded in the plasma membrane 

Page 37: st60‐100°C and at pH from

The only square microorganism 1.  Diversity: “Walsby’s square 

bacterium” (FEMS Le\s 238:469, 2004; Environ. Microbiol. 6:1287, 2004): Haloquadratum walsbyi 

2.  Genomes: Halobacterium (PNAS 97:12176, 2000); Haloarcula (Genome Res. 14:2221, 2004). 

a.  MulFple chromosomes (2–4) and mulFple large plasmids (2–5). 

b.  High surface negaFve charge on proteins (average pI of proteome, 4.5–5). 

c.  Considerable variability in genome size (the Haloarcula genome at 4.27 Mbp is twice the size of the Halobacterium genome). 

1 µm 

Photos from FEMS LeFs 238: 469, 2004 

Haloquadratum walsbyi 

Page 38: st60‐100°C and at pH from

Problems and Solutions: Extreme Halophiles Problems Solutions 1. Dehydration Compatible solutes (glycine

betaine, alcohols, sugars, or K+) Halobacterium cytoplasm, 5.3M K+

2. Protein Stability

Cytoplasmic proteins are highly polar and acidic; require high [K+]. Proteins typically have low nonpolar amino acid contents

3. Solubility of O2 is low

Bacteriorhodopsin: a light-driven proton pump synthesized under anoxic conditions. This boosts ATP levels when respiration is impossible

Page 39: st60‐100°C and at pH from

The range of habitat condiFons for extremophiles may be analogous to environmental condiFons on other planetary 

bodies •  Cold, low nutrient oceans – icy moons 

•  Sea ice – icy moons 

•  Dry environments ‐ Mars 

•  High and low pH environments ‐ ? 

•  Atmospheres – Hot, sulfurous like Venus, etc 

•  Geothermal and hydrothermal systems including peridoFte‐hosted systems 

•  Early Earth analogues? 

How complex can  metazoan animals get ayer long evoluFon in the absence of oxygen? 


Recommended