好冷主義者

衣類Xanthoria elegansは-24℃(-11℉)でも光合成を続けることができる。 [ 1 ]

好冷菌(英: psychrophiles / ˈ s k r ˌ f l /または低温好菌(形容詞:好冷菌または低温好菌)は、-20 °C (-4 °F) [ 2 ]から20 °C (68 °F) [ 3 ]の低温で成長および繁殖することができる好極限性生物である。これらは、極地や深海など、常に寒い場所で見つかる。これらは、異常に高い温度で繁殖する生物である好熱菌や、中間の温度で繁殖する中温菌と対比される。好冷菌はギリシャ語で「寒さを好む」を意味し、古代ギリシャ語のψυχρός ( psukhrós ) 冷たい、凍ったに由来する。  

そのような生物の多くは細菌または古細菌ですが、地衣類雪藻植物プランクトン、菌類、羽のないユスリカなどの一部の真核生物も好冷生物に分類されます。

生物学

雪藻クラミドモナス・ニバリスが生えた雪面。

生息地

好冷菌が生息する寒冷環境は地球上に広く見られ、惑星表面の大部分は10℃(50℉)を下回る。彼らは永久凍土、極地の氷、氷河雪原深海に生息する。また、塩分濃度の高い海氷の塊にも生息する。[ 4 ]微生物の活動は、−39℃(−38℉)以下で凍結した土壌で測定されている。 [ 5 ]好冷菌は、その温度限界に加えて、生息地の結果として生じる可能性のある他の極端な環境制約にも適応する必要がある。これらの制約には、深海の高圧や一部の海氷の高塩分濃度などが含まれる。[ 6 ] [ 4 ]

適応

好冷菌は、ゆっくりと冷却される限り、氷による乾燥ガラス化(ガラス転移)によって凍結と氷の膨張から保護されます。自由生細胞は-10~-26℃(14~-15℉)の温度で乾燥し、ガラス化します。多細胞生物の細胞は-50℃(-58℉)以下の温度でもガラス化することがあります。細胞はこれらの温度まで細胞外液中で代謝活動を継続し、常温に戻ると生存能力を維持します。[ 2 ]

好冷菌は、脂質細胞膜の硬化を克服する必要もあります。これは、これらの生物の生存と機能にとって重要だからです。これを実現するために、好冷菌は、短鎖不飽和脂肪酸を多く含む脂質膜構造を適応させます。長鎖飽和脂肪酸と比較して、この種の脂肪酸を組み込むことで脂質細胞膜の融点が低下し、膜の流動性が向上します。[ 7 ] [ 8 ]さらに、膜にはカロテノイドが存在し、膜の流動性を調節するのに役立ちます。 [ 9 ]

不凍タンパク質は、好冷菌の内部空間を液体状態に保ち、水の凝固点を下回る温度になった際にDNAを保護するためにも合成されます。これにより、このタンパク質は氷の形成や再結晶化を防ぎます。[ 9 ]

これらの生物の酵素は、寒さに適応するための方法として、活性、安定性、柔軟性の関係にあると仮定されています。酵素構造の柔軟性は、環境の凍結効果を補う方法として増加します。[ 4 ]

グラム陰性細菌のビブリオ菌エロモナス菌などの特定の好冷菌は、生存可能だが培養不可能な(VBNC)状態に移行することができる。[ 10 ] VBNC状態の間、微生物は呼吸し、代謝のための基質を利用できるが、複製はできない。この状態の利点は、非常に可逆性が高いことである。VBNCが積極的な生存戦略なのか、それとも最終的には生物の細胞がもはや復活できなくなるのかについては議論がある。[ 11 ]しかし、非常に効果的である可能性を示す証拠もある。グラム陽性細菌の放線菌は、南極、カナダ、シベリアの永久凍土環境で約50万年生存していたことが示されている。[ 12 ]

分類範囲

好冷生物には、細菌、地衣類、雪藻、植物プランクトン、真菌​​、昆虫などが含まれます。

極寒に耐えられる細菌には、アルスロバクター属、サイコバクター属、ハロモナスシュードモナス属、ヒフォモナス属、スフィンゴモナス属の細菌がいる。[ 13 ]アシネトバクター属エアロコッカス属フラボバクテリウム属リステリア属シュードモナス属、セラチアエルシニア属の菌は、動物由来の食品によく存在する。[ 14 ]もう1つの例は、12万年前の氷の中で発見された好冷菌、 クリセオバクテリウム・グリーンランデンシスである。

Umbilicaria antarcticaXanthoria elegansは、-24℃(-11℉)まで光合成を行うことが記録されている地衣類で、-10℃(14℉)程度まで生育することができます。 [ 15 ] [ 1 ]多細胞真核生物の中には、一部の針葉樹のように氷点下でも代謝活動ができるものもあり、 [ 16 ]ユスリカ科のものは-16℃(3℉)でも活動します。 [ 17 ]

好冷性藻類は、南極の雪の上に生育するこのクラミドモナス緑藻のように、低温に耐えることができます。

雪氷に生息する微細藻類には、緑藻、褐藻、紅藻などがある。クロロモナスクラミドモナスクロレラなどの雪氷藻類は極地環境に生息する。[ 18 ] [ 19 ]

一部の植物プランクトンには、極地の海氷形成時に発生する塩水路の極低温と高塩分濃度に耐えられるものがある。例としては、Fragilariopsis cylindrusNitzchia lecointeiiEntomoneis kjellmaniiNitzchia stellataThalassiosira australisBerkelaya adelienseNavicula glacieiといった珪藻類が挙げられる。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]

ペニシリウムは、極寒を含む幅広い環境で見つかる真菌属です。 [ 23 ]

好冷性昆虫の中でも、山頂に生息するグリロブラッティダエ科(氷を這う昆虫)は、1~4℃(34~39℉)が最適温度です。 [ 24 ]ユスリカ科(Belgica antarctica )は、塩分、凍結、強い紫外線に耐えることができ、昆虫の中で最も小さいゲノムを持っています。9900万塩基対というこの小さなゲノムは、極限環境への適応性を持つと考えられています。[ 25 ]

低温細菌

低温性微生物は7℃(44.6℉)以下の温度でも増殖できますが、高温の方が増殖速度が速くなります。低温性細菌および真菌は冷蔵温度でも増殖でき、食品の腐敗やエルシニアなどの食中毒病原体の原因となる可能性があります。これらは製品の賞味期限を推定する指標となるだけでなく、土壌[ 26 ] 、表層水および深海[ 27 ] 、南極の生態系[ 28 ] 、食品[ 29 ]にも存在します。

低温細菌は乳製品業界と乳製品の使用において特に懸念される。 [ 30 ]低温細菌は乳製品を腐敗させるだけでなく、人体に危険な耐熱性酵素や毒素を生成することもできる。[ 14 ]ほとんどの低温細菌は低温殺菌によって死滅するが、衛生管理が不十分なために低温殺菌後の汚染物質として牛乳に存在する可能性がある。コーネル大学食品科学部によると、低温細菌は7℃以下の温度で増殖できる細菌である。氷点下では低温細菌の増殖は無視できるか、事実上停止する。[ 31 ]

RecBCD酵素の3つのサブユニットはすべて、南極のPseudomonas syringaeにおける酵素の生理活性、すなわちDNA損傷の修復と低温での増殖の維持に必須である。RecBCD酵素は、同種のタンパク質複合体全体を供給された場合、好冷性P. syringaeと中温性E. coliの間で交換可能である。しかし、2つの細菌のRecBCタンパク質(RecBCPとRecBCEc)は同等ではない。RecBCEcはDNAの組み換えと修復に優れ、低温でのP. syringaeの増殖をサポートするのに対し、RecBCPはこれらの機能には不十分である。最後に、RecBCDPのヘリカーゼとヌクレアーゼ活性はどちらも低温でのP. syringaeのDNA修復と増殖に重要であるが、RecBヌクレアーゼ活性は生体内では必須ではない。[ 32 ]

好冷性微細藻類

ロス海の砕けた海氷の海面下を覆う南極の珪藻類。

極寒に耐えられる微細藻類は、雪、氷、そして非常に冷たい海水の中で生き残ることができる。雪上では、十分な光があれば、耐寒性藻類は陸地、氷河、あるいは海氷を覆う雪の表面に繁茂することがある。これらの雪藻は雪の表面を黒くし、雪解けに寄与することがある。[ 19 ]海水中では、非常に高い塩分濃度と非常に低い温度の両方に耐えられる植物プランクトンが海氷の中で生きることができる。好冷性植物プランクトン種の一例としては、氷に生息する珪藻類Fragilariopsis cylindrusが挙げられる。[ 20 ]南極大陸近海の冷たい海水に生息する植物プランクトンは、タンパク質含有量が非常に高いことが多く、 Rubiscoのような酵素の濃度がこれまでに測定された中で最も高いもののいくつかである。[ 21 ]

低温性昆虫

ユスリカ(ユスリカ科Belgica antarctica

低温性昆虫は、日和見昆虫や寒冷感受性昆虫とは異なり、(1) 耐寒性、(2) 凍結回避、(3) 凍結耐性といういくつかの一般的なメカニズムを通じて低温に耐えることができます。[ 33 ]耐寒性昆虫は、軽度または中程度の凍結温度に長時間さらされると、凍結温度で死にます。[ 34 ]凍結回避昆虫は、過冷却状態の氷点下の温度で長期間生き残ることができますが、過冷却点で死にます。[ 34 ]凍結耐性昆虫は、氷点下の温度で体内に氷の結晶が形成されても生き残ることができます。[ 34 ]昆虫の耐凍性は連続的であると主張されており、一部の昆虫種は部分的な耐凍性(例:Tipula paludosa [ 35 ] Hemideina thoracica [ 36 ] )、中程度の耐凍性(例:Cryptocercus punctulatus [ 37 ])、強い耐凍性(例:Eurosta solidaginis [ 38 ]およびSyrphus ribesii [ 39 ]を示し、他の昆虫種は過冷却点が低い耐凍性(例:Pytho deplanatus [ 40 ])を示す。[ 33 ]

好冷菌と好冷菌

1940年、ゾベルとコーンは、「真の好冷菌」、つまり比較的低温で最もよく生育する生物に出会ったことがないと述べました。[ 41 ] 1958年、J・L・イングラムは、教科書的な好冷菌の定義に当てはまる細菌はほとんど存在しない、あるいは全く存在しないと結論付け、この見解を支持しました。リチャード・Y・モリタは、好冷菌の定義に当てはまらない生物を「好冷菌」という用語で表現することで、この点を強調しています。好冷菌好冷菌という用語の混同は、研究者が好冷菌が実験室温度において熱不安定性を示すことを認識していなかったことに端を発しています。このため、初期の研究者は分離株の主要温度を特定していませんでした。[ 42 ]

これら2つの類似点は、どちらも零度でも生育可能であるものの、好冷菌は低温性細菌に比べて生育の最適温度と上限温度が低いことです。[ 43 ]また、好冷菌は低温性細菌に比べて、恒温常寒冷環境から隔離されることが多いです。低温性酵素は、現在使用されている市販酵素よりも低温での製造・加工コストが高いため、まだ十分に活用されていませんが、好冷菌と低温性細菌への注目と研究関心の高まりは、環境の改善と省エネルギーへの意識向上に貢献するでしょう。[ 43 ]

参照

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さらに読む

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