extremofilos[1]

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Biotecnologia Microbiana
2 Boletim de Biotecnologia
Extremófilos: microrganismos à prova de agressões
ambientais extremas
Sumário
Microrganismos existem capazes de
proliferar numa variedade de
ambientes caracterizados por
extremos de temperatura, salinidade
ou valores de pH, que, à primeira
vista, inviabilizariam qualquer forma
de vida. Esta ideia tradicional de
vida deve-se talvez a preconceitos e
a limitações impostas pela nossa
própria filogenia. De facto, estamos
adaptados a um ambiente ameno, tal
como a maioria dos seres que
conosco co-habita este planeta. Por
isso, é surpreendente encontrar vida
a temperaturas próximas do ponto de
ebulição da água (à pressão normal)
ou mesmo a temperaturas superiores
a 100ºC, sob pressões mais elevadas.
É também admirável que possa
existir vida a pH 0 (equivalente a
uma solução 0,5 M em ácido
sulfúrico), ou a pH 11, ou em
soluções saturadas de NaCl, ou que
haja organismos que toleram níveis
de radiação gama dezenas de
milhares de vezes superiores aos que
são letais para a maioria dos seres
que conhecemos. Estas propriedades
notáveis vieram modificar
drasticamente o conceito tradicional
de ambiente habitável: embora seja
impensável encontrar vida numa
rocha fundente ou organismos
capazes de crescer na ausência total
de água, começa a ser razoável supor
que haverá microrganismos capazes
de habitar certos nichos em outros
planetas, tais como Marte ou
Europa, até há pouco considerados
inóspitos. Este artigo de revisão
pretende dar uma visão sumária da
diversidade, fisiologia e potencial
biotecnológico deste grupo fascinante
de organismos, os extremófilos.
Introdução
A capacidade de adaptação a
alterações ambientais é uma das
características mais impressionantes
da Vida na Terra. A diversidade de
ambientes colonizados e a
multiplicidade de soluções adaptativas
encontrada desafiam a mais fértil
imaginação. Habitats terrestres,
aparentemente inóspitos, são de
facto populados por microrganismos
que parecem optimamente
adaptados à agrestidade desses
ambientes. Desde a aridez e
salinidade extremas dos desertos
salinos da Etiópia, às frígidas
calotes polares da Antártida, aos
infernos sulfurosos do sul de Itália,
às emanações de lama negra super-
aquecida das fossas abissais do
Pacífico, ou aos campos fortemente
radioactivos de Chernobyl, a Vida
subsiste e propaga-se
admiravelmente.
O termo “extremófilo” foi usado
pela primeira vez por MacElroy em
1974, para designar organismos que
proliferam em ambientes extremos.
A necessidade de definição
transfere-se assim para “ambiente
extremo”. Os taxonomistas definem
ambientes extremos como aqueles
Fumarola (Fossa no Oceano Pacífico)
Furnas (Açores)
Salinas (Califórnia, E.U.A.)
Deserto (China)
Figura 1. Ambientes extremos.
Helena Santos1, Pedro Lamosa1, Milton S. da Costa2
1 Instituto de Tecnologia Química e Biológica,
 Universidade Nova de Lisboa,
 Rua da Quinta Grande, 6, Apt. 127, 2780 Oeiras, Portugal.
2 Departamento de Bioquímica, Universidade de Coimbra,
 3000 Coimbra, Portugal.
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Boletim de Biotecnologia 3
que apresentam diversidade
biológica restrita visto que a maioria
dos organismos é excluída. Nós
preferimos a definição
antropocêntrica que considera
ambientes “amenos” aqueles que
têm temperaturas próximas da
ambiente e até 40ºC, valores de pH
próximos da neutralidade, conteúdo
em sais da ordem do dos oceanos,
pressão atmosférica e níveis de
radiação semelhantes aos que
atingem naturalmente a superfície
terrestre. Portanto, zonas
geotérmicas ou regiões polares,
nascentes ácidas ou alcalinas, lagos
com níveis de salinidade próximos
da saturação, regiões abissais frias
ou zonas bombardeadas
artificialmente com níveis elevados
de radiação, são ambientes terrestres
imediatamente reconhecidos como
“extremos” à luz desta definição
(Fig. 1).
O estudo dos microrganismos
provenientes destes ambientes
extremos, pode fornecer informação
valiosa acerca da origem da Vida na
Terra e das suas estratégias
adaptativas aos ambientes onde esta
prosperou. Alguns extremófilos,
especialmente os que proliferam em
zonas hipersalinas (halófilos), são
conhecidos há mais de seis décadas.
No entanto, as descobertas na década
de 70 do terceiro ramo da árvore da
vida  os Archaea , e na década
de 80 de organismos hipertermófilos
que apresentam temperaturas
óptimas de crescimento próximas ou
acima do ponto de ebulição da água,
veio injectar um novo fõlego nas
discussões sobre a origem da vida e
a sua existência noutros planetas
(Woese et al., 1990;1998).
A extremofilia não constitui uma
característica filogenética. Embora
exemplos de extremofilia ocorram
frequentemente em ambos os
domínios procariotas (Bacteria e
Archaea), os dados disponíveis
permitem concluir que os
organismos resistentes a extremos de
agressão das condições ambientais
tendem a pertencer ao Domínio
Archaea. Por exemplo, todos os
hipertermófilos com temperatura
óptima de crescimento superior a
100ºC são arqueões, bem como os
outros “recordistas” de extremofilia
(os mais halófilos ou os mais
acidófilos) que parecem situar-se
preferencialmente entre os organismos
do domínio Archaea (Fig. 2).
Exemplos notáveis são arqueões do
género Halobacterium, que se
desenvolvem em ambientes salinos
saturados (5,2 M NaCl); o arqueão
Pyrolobus fumarii apresenta uma
temperatura óptima de crescimento de
106oC, continuando a proliferar até ao
limite de aproximadamente 115o C,
enquanto que os arqueões do género
Picrophilus se desenvolvem a pH 0
(Blöchl et al., 1997; Schleper et al.,
1995). No entanto, vale a pena
salientar que as microalgas do género
Dunaliella são praticamente tão
halófilas como os arqueões da família
Halobacteriaceae e que os organismos
conhecidos com maior resistência a
radiações, ou melhor adaptados a
ambientes alcalinos, pertencem ao
domínio Bacteria.
Muitas vezes se tem associado a
grande resiliência dos arqueões à
particularidade filogenética de
possuírem lípidos membranares com
isoprenóides ligados a glicerol por
ligações éter. No entanto, esta
conclusão não está suficientemente
documentada e não parece plausível.
A adaptação de organismos a
condições ambientais extremas
obrigou-os a desenvolver
componentes celulares e estratégias
bioquímicas para o efeito. Devido às
características “excêntricas” destes
microrganismos, os componentes
moleculares deles retirados possuem
muitas vezes propriedades que os
tornam especialmente adequados
para utilização em processos
industriais. Neste contexto, é hoje
geralmente aceite que estes
microrganismos constituem um
precioso repositório de moléculas de
interesse industrial e um excelente
recurso para o desenvolvimento de
novas aplicações biotecnológicas
CYANOBACTERIA
Synechococcus
PROTEOBACTERIA
Hydrogenophilus
Halomonas
Thiobacillus
Polaromonas
GRAM-POSITIVAS
Alicyclobacillus
Bacillus
Clostridium
Thermus
Deinococcus
Thermotoga
Aquifex
SulfolobusDesulfurococcus
Aeropyrum
Hyperthermus
Pyrobaculum
Pyrodictium
Pyrococcus
Methanopyrus
Methanothermus
HalococcusThermoplasma
Algas 
(Dunaliella)
Fungos (Debaryomyces)
Animais
Dictyoglomus
Archaeoglobus
Metallosphaera
CYTOPHAGALES
Rhodothermus
Polaribacter
Picrophilus
Natronococcus
BACTERIA
EUKARYA
ARCHAEA
Hipertermófilos
Termófilos
Halófilos
Extremos de pH
Psicrófilos
Resistentes a radiação
Figura 2. Árvore filogenética segundo Woese et al., 1990, com localização de extremófilos. O
tipo de extremofilia está identificado com o código de cores indicado.
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4 Boletim de Biotecnologia
que se espera possam revolucionar o
nosso quotidiano e o avanço do
conhecimento. De facto, sinais dessa
revolução já são patentes; basta
notar as consequências da introdução
das polimerases de DNA
termoestáveis no desenvolvimento e
automatização da reacção em cadeia
da polimerase (PCR) com tão
notável impacto no
desenvolvimentos das ferramentas
genéticas e no avanço do nosso
conhecimento dos fenómenos
biológicos. Assim, não são de
estranhar as expectativas da
comunidade científica e da indústria
em relaçãoà investigação de
extremófilos e dos produtos deles
derivados.
Adaptação a ambientes
salinos: halófilos
Halófilos extremos (arqueões da
família Halobacteriaceae ou
bactérias da família
Haloanaerobiales) acumulam, em
geral, iões inorgânicos (K
+
, Na
+
, Cl
-
)
em concentrações elevadas para
contrabalançarem a pressão
osmótica externa e manterem a
integridade celular. Esta forma de
osmoadaptação evoluiu concomi-
tantemente com modificações
estruturais num grande número de
componentes celulares. As proteínas
destes organismos contêm um
excesso considerável de resíduos
com carga eléctrica negativa e a
actividade catalítica das enzimas
depende da presença de sais,
características moleculares de
adaptação a ambientes com
salinidade extrema. A composição
de aminoácidos das proteínas é
talvez o efeito mais óbvio e notável
da elevada concentração salina no
citoplasma, mas outros componentes
celulares, como os ribossomas,
também apresentam modificações.
Além disso, a parede celular dos
arqueões do género Halobacterium
contém glicoproteínas com elevado
número de aminoácidos carregados
negativamente e que são
estabilizadas por interacção com iões
sódio do meio exterior. Também as
espécies do género Halococcus têm
uma parede espessa constituída por
um heteropolissacárido sulfurado que
é estabilizado por concentrações
elevadas de sódio. Estas características
das paredes celulares de arqueões
extremamente halófilos parecem
constituir o único exemplo claro de
adaptação da parede celular de
arqueões a condições ambientais
extremas.
Se esta estratégia de acumulação de
elevados níveis de sais inorgânicos
permite aos halófilos extremos ocupar
um nicho ambiental praticamente
inacessível aos demais
microrganismos, também é um facto
que os restringe a esse mesmo nicho,
impossibilitando-os de colonizar
outras zonas de salinidade mais
moderada ou sujeita a grandes
alterações.
Em contraste, os halófilos moderados
utilizam, em geral, estratégias de
osmoadaptação mais flexíveis que lhes
permitem responder rapidamente a
flutuações de salinidade do meio
exterior. Neste caso, as estratégias de
adaptação passam pela acumulação de
solutos compatíveis, compostos
orgânicos de baixa massa molecular,
quer importados do meio quer
sintetizados de novo , e que, mesmo
em concentrações elevadas, são
inofensivos para a funcionalidade das
proteínas e de outros componentes
celulares (Fig. 3). Trealose, betaínas,
ectoínas, e glicerol são alguns dos
solutos compatíveis mais
frequentemente associados a
estratégias de osmoadaptação em
halófilos que proliferam em
ambientes com valores moderados
de salinidade. No entanto, as
microalgas do género Dunaliella
usam solutos compatíveis (glicerol)
para contrabalançar a pressão
osmótica em ambientes
extremamente salinos. Esta
estratégia não implica a modificação
dos componentes celulares como um
todo e permite responder com
versatilidade a flutuações rápidas da
salinidade do meio. A acumulação
de solutos, além de conferir uma
larga adaptabilidade, apresenta
ainda a vantagem de proteger a
célula contra agressões moderadas
de temperatura. Talvez seja por este
conjunto de factores que a
acumulação de solutos orgânicos
constitui a solução encontrada na
grande maioria dos microrganismos
conhecidos.
Adaptação a temperatura
elevada: termófilos e
hipertermófilos
No contexto de extremofilia, a
descoberta contemporânea mais
surpreendente foi sem dúvida a dos
organismos hipertermófilos por Karl
O. Stetter, que obrigou à extensão
para cerca de 115ºC do limite
superior da gama de temperatura em
que células vivas proliferam
eficientemente (Blöchl et al., 1997)
(Fig. 4). Esta característica notável
implica estabilização de todos os
HH22OO
HH22OO
HH22OO
A B C
Figura 3. Diversas estratégias usadas por microrganismos em resposta a um
aumento da salinidade do meio de modo a manter o balanço osmótico. A-
Importação de sais inorgânicos para o citoplasma. B- Importação de solutos
compatíveis presentes no meio. C- Síntese de novo de solutos compatíveis.
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Boletim de Biotecnologia 5
componentes celulares de modo a
que a sua funcionalidade seja
mantida em condições de
temperatura que seriam danosas para
a maioria das biomoléculas dos
organismos mesófilos (Fig. 5). A
elucidação das estratégias usadas na
estabilização de componentes
celulares, e em especial de proteínas,
representa um desafio fascinante
para a Biofísica actual. Apesar da
intensa actividade de investigação
desenvolvida nesta área, a questão
da estabilização de biomoléculas a
temperaturas tão elevadas
permanece enigmática.
Surpreendentemente, as proteínas de
hipertermófilos são constituídas
pelos mesmos 20 aminoácidos
presentes em todas as outras; estudos
comparativos de estruturas primárias
de proteínas homólogas isoladas de
organismos mesófilos e também de
psicrófilos, não revelaram diferenças
consistentemente correlacionáveis
com diversos graus de
termoestabilidade. A dificuldade
inerente à resolução desta questão
deriva do facto de a energia livre de
estabilização correspondente a uma
proteína termoestável proveniente de
um hipertermófilo diferir muito
pouco da de uma proteína homóloga
mas proveniente de um mesófilo. De
facto, a energia livre de estabilização
de uma proteína globular varia entre
5 e 15 kcal mol-1 independentemente
dos requisitos em relação à
temperatura para crescimento do
organismo de que provém (Vieille &
Zeikus, 1996). Este valor equivale à
formação de um pequeno número de
ligações por ponte de hidrogénio,
interacções iónicas ou hidrófobas;
assim, a solução do problema tem um
grau de indeterminação extremamente
elevado uma vez que as variações
estruturais susceptíveis de produzir
esta pequena estabilização adicional
poderão ser múltiplas e subtis. O
conhecimento actual, baseado em
comparações de proteínas com
diferentes graus de estabilidade
térmica, sugere que a estabilização
envolve vários níveis na hierarquia da
estrutura de proteínas, nomeadamente
secundária, supersecundária, terciária
e quaternária (Jaenicke & Böhm,
1998).
Apesar desta expectativa pouco
animadora e de muitos exemplos em
que argumentos de senso comum
conduziram a resultados frustrantes,
há algumas tentativas com sucesso em
que a substituição pontual de resíduos
em enzimas conduziu a incrementos
notáveis na estabilidade térmica e
também na actividade catalítica
(Arnold et al., 1999; Giordano et al.,
1999).
Uma das particularidades interessantes
que estes estudos comparativos
revelaram foi o desempenho pouco
eficiente das enzimas de
hipertermófilos quando comparadas
com as análogas provenientes de
mesófilos ou psicrófilos. Em geral, as
actividades catalíticas específicas das
enzimas altamente termo-estáveis são
inferiores, ou quando muito
semelhantes, às das enzimas de
mesófilos ou psicrófilos quando
determinadas aos valores
respectivos de temperatura óptima
de funcionamento. A explicação
mais frequentemente encontrada é a
de que a estrutura de enzimas de
hipertermófilos é mais rígida. Do
compromisso entre rigidez
necessária para estabilidade térmica
e flexibilidade requerida para
actividade catalítica, resultaria um
estado funcional optimizado
semelhante ao do das enzimas dos
mesófilos à temperatura ambiente
(Danson et al., 1996; Gerday et al.,
2000; Ladenstein & Antranikian,
1998). Apesar do interesse
fundamental e também aplicado
deste tópico, os dados disponíveis
são ainda escassos e, muito
recentemente, resultados de medidas
de velocidade de permuta
protão/deutério na rubredoxina do
hipertermófilo Pyrococcus furiosus
parecem questionar a validade da
hipótese da maior rigidez das
proteínas extremamente termo-
estáveis (Hernandez et al., 2000;
Jaenicke, 2000).
Embora a maioria das proteínas
isoladas de hipertermófilos tenha
uma estabilidade térmica elevada,
há vários exemplos de enzimas
intracelulares que in vitro
apresentam uma baixa estabilidade à
temperatura óptima de crescimento
do organismo. Esta observação
sugere a presença de factores
extrínsecos que contribuam para a
estabilização de biomoléculas a
T
ax
ade
 c
re
sc
im
en
to
 (
h-
1 )
Temperatura (oC)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
95 100 105 110 115
Figura 4. Perfil de crescimento do hipertermófilo
Pyrolobus fumarii em função da temperatura. É de
notar que o organismo não cresce abaixo de 95 ºC
(Blöchl et al., 1997).
40 50 60 70 80 90 100 110
Temperatura (ºC)
0
20
40
60
80
100
A
ct
iv
id
ad
e
 (%
)
Figura 5. Perfil de actividade de uma enzima
intracelular de Pyrococcus horikoshii (sintetase do
manosilfosfoglicerato) em função da temperatura. A
enzima apresenta actividade máxima entre 90 oC e
100oC (Empadinhas et al., 2001).
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6 Boletim de Biotecnologia
temperaturas elevadas. Em anos
recentes foram isolados e
caracterizados vários compostos
orgânicos de baixa massa molecular,
que se acumulam intracelularmente
em resposta a uma elevação da
salinidade e/ou da temperatura do
meio de cultura em hipertermófilos
halófilos ou halotolerantes. Alguns
destes compostos (manosilglicerato,
fosfato de di-mio-inositol, fosfato de
diglicerol) foram detectados apenas
em microrganismos termófilos ou
hipertermófilos (Fig. 6). Além disso,
testes in vitro demonstraram a sua
capacidade termoestabilizadora
sobre uma variedade de proteínas
(Lamosa et al., 2000; Ramos et al.,
1997) (Fig. 7). Portanto, é possível
que estes compostos participem nas
múltiplas estratégias usadas pelos
organismos hipertermófilos para
contrariar os efeitos adversos da
temperatura elevada sobre a
integridade das estruturas celulares
(Santos & da Costa, 2001).
Contrariando as expectativas iniciais,
a procura de marcadores de
hipertermofilia não tem tido grande
sucesso; as características ou
componentes apontados a certo tempo
como marcadores foram sendo
sucessivamente desmentidos, à
medida que o volume de dados crescia
e se constatava que as características
eleitas estavam afinal mais
relacionadas com filogenia do que
com hipertermofilia ou mesmo
extremofilia. O único marcador
enzimático que até agora resistiu ao
acumular de dados é a girase reversa,
encontrada apenas em organismos
hipertermófilos e que parece ter uma
função importante em conferir
estabilidade térmica adicional à dupla
hélice do DNA (Bouthier de la Tour et
al., 1990). A nível de características
metabólicas também não se encontrou
correlação credível. Os primeiros
hipertermófilos extremos isolados
eram estritamente anaeróbios e esta
observação conduziu à hipótese de que
um metabolismo aeróbio seria
incompatível com hipertermofilia
extrema devido à baixa solubilidade
do oxigénio a 100ºC. No entanto, no
início da década de 90 a
comunidade científica foi
surpreendida pela descoberta de
hipertermófilos aeróbios com
temperatura óptima de crescimento
de 100ºC (Sako et al., 1996). De
facto, a solubilidade do oxigénio em
água diminui com a elevação da
temperatura, mas é necessário ter
em conta também o aumento do
coeficiente de difusão com a
temperatura.
Em relação ao metabolismo de
açúcares em hipertermófilos os
resultados ficaram aquém das
expectativas quanto a grandes
inovações em vias metabólicas e
enzimas. O sistema de transporte
para a maltose em Thermococcus
litoralis é relativamente semelhante
ao de Escherichia coli. No entanto,
a afinidade para o substrato é
notável: três ordens de grandeza
Fosfato de diglicerol
OH
OHO
OH
HO O
P
OHO
Fosfato de di-myo-inositol
OO
P
OHO
HO
OH
OH
OH
HO
OH
OH
OH
OH
OH
Fosfato de di-manosil-di-myo-inositol
OH
HO
OH
OH
HO
O
HO
OH
CH2OH
HO
O
OO
P
OHO
HO
OH
OH
OH
O
OH
CH2OH
HO
O
Manosilglicerato
O
HO
OH
CH2OH
HO
O
CH2OH
COOH
O
HO
OH
CH2OH
HO
O
CH2OH
C
O
NH2
Manosilgliceramida
O
OO
O
O
OO
PP
OOC
2,3-Bisfosfoglicerato cíclico
Figura 6. Solutos compatíveis essencialmente restritos a arqueões ou bactérias termófilas ou hipertermófilas.
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Boletim de Biotecnologia 7
superior no organismo
hipertermófilo, sendo este o sistema
de transporte conhecido com
afinidade mais elevada (Horlacher et
al., 1998; Xavier et al., 1996).
A proposta inicial de Michael
Adams sobre a ocorrência em
Pyrococcus furiosus de uma via
Entner-Doudoroff não fosforilativa
(piroglicólise), associada a
hipertermofilia, mostrou-se
incorrecta (Kengen et al., 1994); este
organismo utiliza uma via Embden-
Meyerhof em que inesperadamente
tanto a hexocinase como a
fosfofructocinase usam ADP como
doador do grupo fosforilo (Fig. 8).
Esta particularidade metabólica só
foi até agora encontrada em espécies
da ordem Thermococcales, mas as
vias glicolíticas de hipertermófilos
extremos, nomeadamente
pertencentes aos géneros Pyrolobus,
Pyrobaculum e Pyrodictium, ainda
não foram estudadas (Selig et al.,
1997). É provável, no entanto, que a
utilização de ADP, em vez de ATP
ou de pirofosfato, não esteja
relacionada com hipertermofilia.
Uma questão talvez tão importante
como a das estratégias de
estabilização de proteínas e de outras
macromoléculas é a da estabilização
de coenzimas, nomeadamente de
NAD+ que é muito instável a
temperaturas próximas de 100ºC.
Aliás, a instabilidade térmica de
algumas biomoléculas essenciais serve
de base a um dos argumentos usados
pelos opositores à teoria que defende
que a Vida teve origem a temperaturas
elevadas (Forterre & Philippe,
1999). Nas espécies examinadas da
ordem Thermococcales,
gliceraldeído-3-fosfato é convertido
num único passo em 3-fosfo-
glicerato, sendo uma ferredoxina (e
não NAD+) o aceitador de electrões.
Poderia pensar-se que esta é uma
estratégia para evitar a utilização de
uma coenzima instável em
hipertermófilos. No entanto, em
Thermoproteus tenax (temperatura
óptima 90ºC), NAD+ é usado como
coenzima nesta mesma reacção, e
Pyrobaculum aerophilum
(temperatura óptima 100ºC) contém
quantidades elevadas de
desidrogenase de glutamato
dependente de NAD+.
Provavelmente existem estratégias
específicas para estabilizar esta e
outras coenzimas. Opções
concebíveis são: reciclagem rápida
das coenzimas, direccionamento
metabólico, factores estabilizadores
extrínsecos, ou elevada eficiência
catalítica das enzimas relevantes. O
avanço no conhecimento
AMP
ADP
AMP
ADP
Gliceraldeído-3-P:
ferredoxina
oxidorredutase
Ferredoxinaox
Ferredoxinared
Gliceraldeído-3-P
3-P-Glicerato
Fosfofrutocinase
DHA-P
Glucose
Piruvato
Gliceraldeído -3-P
NADH + H+
Pi + NAD+
3-P-Glicerato
1,3-bP-Glicerato
ATP
ADP
Frutose-1,6-bP
Frutose-6-P
Glucose-6-P
ADP
ATP
ADP
ATP
Hexocinase
Gliceraldeído-3-P
desidrogenase
Fosfoglicerato cinase
Via Embden-Meyerhof 
convencional 
Via Embden-Meyerhof 
modificada 
Glucose
Glucose-6-P
Frutose-6-P
DHA-P
Frutose-1,6-bP
Piruvato
Figura 8. Vias metabólicas para a glicólise. A via Embden-Meyerhof modificada foi
encontrada em arqueões hipertermófilos pertencentes à ordem Thermococcales (géneros
Thermococcus e Pyrococcus). As reacções diferentes estão indicadas a vermelho.
Sem adições
K-Mannosilglicerato (500 mM) 
6240 50 55
0
20
40
60
80
100
120
45
Temperatura (°C)
%
 d
e
 a
ct
iv
id
ad
e
 r
es
id
ua
l
O
HO
OH
CH
2
OH
HO
O
CH2OH
COOH
A
Sem adições
Fosfato de diglicerol (100 mM) 
0
100
200
300
400
RdDd rRdCp rRdDg
t 1
/2
 (m
in
)
OH
OHO
OH
HO O
P
OHO
B
Figura 7. Efeito estabilizador de hipersolutos em proteínas. A- As barras representam os
valores de actividade residual determinados numa solução de desidrogenase do lactato de
coelho após tratamento durante 10 minutos às temperaturas indicadas, na ausência ou presença
de manosilglicerato (Ramos et al., 1997). B- As barras indicam os tempos de meia-vida para a
desnaturação térmica a 90oC, na presença ou ausência de fosfato de diglicerol, de três
rubredoxinas: RdDd- extraída de Desulfovibrio desulfuricans, rRdCp- rubredoxina
recombinante de Clostridium pasteurianum , rRdDg- rubredoxina recombinante de
Desulfovibrio gigas (Lamosa et al., 2001).
Biotecnologia Microbiana
8 Boletim de Biotecnologia
relativamente a este tópico requer a
disponibilidade de um maior número
de dados experimentais.
A acessibilidade cada vez maior a
sequências completasde genomas de
hipertermófilos faz prever um
progresso considerável no
conhecimento da fisiologia destes
organismos nos próximos dez anos.
A importância e o interesse desta
área de investigação denota-se, por
exemplo, no detalhe de todos os
arqueões com sequenciação do
genoma finalizada ou em curso
serem termófilos ou hipertermófilos:
Methanococcus jannaschii, Metha-
nobacterium thermoautotrophicum,
Archaeoglobus fulgidus, Pyrococcus
horikoshii, Pyrococcus abyssi,
Pyrococcus furiosus, Aeropyrum
pernix, Pyrobaculum aerophilum e
Sulfolobus solfataricus.
As questões levantadas pela
ocorrência de organismos
extremófilos, que não
hipertermófilos não são menos
interessantes; no entanto o nível de
conhecimento é, em geral, mais
limitado.
Adaptação a extremos de
pH: acidófilos e
alcalófilos
Os organismos acidófilos e os
alcalófilos preferem ambientes com
valores de pH extremos, até cerca de
0 e 11,5, respectivamente, e são
incapazes de proliferar em meios
com valores de pH próximos da
neutralidade. Estes organismos
suscitam questões interessantes,
especialmente no que respeita à
bioenergética e aos mecanismos que
lhes permitem manter tão elevados
gradientes protónicos
transmembranares. De facto,
mostrou-se que o pH intracelular dos
acidófilos varia entre
aproximadamente 5 e 7 e o dos
alcalófilos entre 7 e 9. Portanto, os
componentes intracelulares, tais
como proteínas, não necessitam de
estratégias específicas de adaptação
pois encontram-se num ambiente
que, em relação a pH, não difere
substancialmente do do citoplasma
dos neutrófilos. Mas uma questão que
surge imediatamente é a seguinte:
como é conseguida a homeostase de
pH nestes organismos?
Nos alcalófilos respiratórios, existe
ainda o enigma fundamental da síntese
de ATP numa situação em que existe
um elevado gradiente transmembranar
de protões com uma orientação
inversa da que é quimiosmoticamente
produtiva. Estudos sobre a
bioenergética de alcalófilos foram
feitos de modo sistemático em
espécies de Bacillus firmus. A ATP
sintase dos organismos alcalófilos
examinados utiliza um gradiente de
protões e não de sódio, como foi
inicialmente sugerido. No entanto, a
homeostase de pH depende da
presença de ião sódio, através de
antiportes electrogénicos Na+/H+ em
que protões são importados para o
interior da célula em troca de iões
sódio exportados para o meio. O sódio
reentra na célula por acção de sistemas
de simporte Na+/solutos. Este ciclo do
sódio tem sido proposto como
estratégia para manter a homeostase
de pH em vários alcalófilos (Matin,
1999; Skulachev, 1999). Existem, no
entanto, muitas questões em aberto
nomeadamente no que respeita aos
mecanismos de oxidação fosforilativa
a partir de valores tão baixos
determinados para ∆p. Neste contexto,
uma das hipóteses avançadas sem
demonstração, propõe que os protões
poderiam ser direccionados desde os
complexos respiratórios até à ATP
sintase, por movimento rápido ao
longo da superfície de proteínas e
lípidos membranares, sem
oportunidade de estabelecimento de
equilíbrio com o meio circundante.
Além disso, tem sido sugerido que o
pH local junto à superfície externa da
membrana plasmática poderia ser
inferior ao do meio devido à presença
de uma matriz de componentes
acídicos.
Nos acidófilos, a questão vital é a da
manutenção do pH intracelular em
valores próximos da neutralidade
quando a diferença entre o pH exterior
e o interior pode atingir 4-5 unidades
de pH. Estes organismos têm a
capacidade de exportar protões
contra uma barreira termodinâmica
extremamente desfavorável, para
além de necessitarem de sistemas
transportadores capazes de resistir a
condições fortemente acídicas.
Microrganismos
radiorresistentes
Os microrganismos resistentes a
radiações, principalmente as
bactérias dos géneros Deinococcus e
Rubrobacter, têm uma capacidade
notável de adaptação a ambientes
com doses elevadas de radiações
gama ou ultravioleta (Ferreira et al.,
1999). O desenvolvimento desta
capacidade que lhes permite
sobreviver, sem perda de
viabilidade, a doses elevadas de
radiação gama (até 5 a 8 kGy) é
verdadeiramente intrigante já que
não existem ambientes naturais à
superfície da Terra com níveis de
radiação ionizante superiores a 200
mGy/ano. A sequenciação do
genoma de D. radiodurans veio
reforçar resultados anteriores que
apontavam para a existência de
extensiva duplicação de informação
genética entre os dois cromossomas
e o megaplasmídeo constituintes do
genoma, podendo esta ser uma
característica de adaptação às
agressões causadas por radiações
(Battista et al., 1999).
Além disso, estes organismos
apresentam mecanismos reparadores
de DNA extremamente eficientes.
Curiosamente, esta mesma
característica permite-lhes
sobreviver em condições de secura
extrema ou agressão oxidativa, que
induzem fragmentação de DNA,
letal para a maioria dos
microrganismos. Interessante
também foi a descoberta recente de
que arqueões hipertermófilos têm
uma capacidade invulgar para
reparar danos causados no DNA por
radiações ionizantes. Portanto, é
possível que o desenvolvimento de
mecanismos de reparação de DNA
eficientes constitua uma
Biotecnologia Microbiana
Boletim de Biotecnologia 9
característica de adaptação comum a
diversos tipos de agressão ambiental.
Aplicações
biotecnológicas
As condições extremamentes
agrestes que caracterizam os
ambientes donde são isolados os
extremófilos desencadearam uma
curiosidade enorme da parte da
comunidade científica no
conhecimento da fisiologia destes
organismos. No entanto, a grande
força impulsionadora destes estudos
foi o potencial biotecnológico de
produtos provenientes destes
organismos, principalmente enzimas
(Soberon, 1999).
Uma vez que muitos processos
industriais decorrem a temperatura
elevada, existe desde há muito uma
pressão comercial para o
desenvolvimento de biocatalizadores
termoestáveis. A título de exemplo,
podemos referir os casos de amilases
e pululanases de hipertermófilos que
são utilizadas na produção de
xaropes a partir de amido, ou de
xilanases termoestáveis usadas na
indústria de pasta de papel. No
entanto, a lista de enzimas de origem
hipertermófila utilizada em
processos industriais já se tornou tão
extensa que a sua descrição
exaustiva se tornaria fastidiosa
(Hough & Danson, 1999; Niehaus et
al., 1999). As vantagens de utilizar
enzimas ou células hipertermófilas
em processos a alta temperatura
podem compreender vários factores
como a esterilização dos reactores, o
aumento da solubilidade de
reagentes e produtos, ou a
diminuição da viscosidade do meio,
acelerando a difusão das espécies
dissolvidas e por isso acelerando as
reacções. Outras vantagens podem
advir do próprio processo de
produção ou extracção do produto. É
este o caso de um processo
recentemente descrito de produção
de etanol a 75o C a partir de resíduos
de hemicelulose provenientes de
material de baixo custo. A elevada
eficiência deste processo é devida ao
facto de que à temperatura em que a
fermentação é conduzida, o etanol
poder ser continuamente removido por
uma corrente de vapor do meio de
cultura, evitando assim o
envenenamento das células antes de
concluída a reacção. Este tipo de
estratégia fermentativa presta-se ainda
ao desenvolvimento de processos
contínuos mais competitivos.
Os organismos que proliferam em
lagos fortemente alcalinos têm
actualmente um fortíssimo impacto na
indústria dos detergentes (Horikoshi,
1999). As enzimas utilizadas como
aditivos a detergentes constituem hoje
cerca de 25% do mercado enzimático.
As enzimas mais utilizadas são
proteases, celulases e lipases
provenientes de alcalófilos
representando um valor que ascende a
mais de 40 milhões de contos por ano.
Outras áreas de aplicação são a
bioremediação de solos, o tratamento
de efluentes, a desulfurização de
pneus ou a extracção de metais.
Actualmente, 10% do cobre extraído
em todo o mundo é feito a partir de
minério de pirite (com níveis elevados
de FeS2) utilizando o acidófilo
Thiobacillus ferroxidans.
Mas, sem dúvida, a descoberta com
maior impacto científico foi a das
polimerases de DNA termoestáveis(isoladas de Thermus aquaticus,
Pyrococcus furiosus, Thermococcus
litoralis) que foram essenciais para o
desenvolvimento e automatização de
reacções em cadeia catalisadas por
polimerases, ferramenta essencial ao
avanço da engenharia genética e do
conhecimento da fisiologia celular.
Considerações finais
A contribuição prática mais
significativa dos extremófilos para a
biotecnologia é sem dúvida a vasta
colecção de “extremozimas”
actualmente disponíveis no mercado.
Estas enzimas provam cada vez mais a
sua capacidade para alargar o espectro
de condições em que é possível a
utilização de biocatalizadores em
processos industriais. À medida que
vamos compreendendo melhor a
fisiologia, enzimologia e bioquímica
destes organismos e avançando no
conhecimento dos mecanismos
utilizados para proteger as suas
estruturas celulares, é de prever que
se desenvolvam protocolos para
produzir “extremo-moléculas” ou
adaptar as existentes às nossas
exigências específicas, tornando os
processos biotecnológicos mais
rentáveis. A sua aplicação nas
indústrias farmacêutica, alimentar,
têxtil, de detergentes, de petróleo e
mineira é hoje uma realidade que
nos permite imaginar a miríade de
aplicações ainda por explorar.
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