Ahol az élő szervezetek zöme talán csak egy-két pillanatig tudna életben maradni, ott tanyáznak a szélsőséges feltételeket kedvelő, úgynevezett extremofil mikroorganizmusok. Megtalálhatók a több, mint 100 °C-os vulkáni forrásokban, a hideg sarki tengerekben, a mély tengerek 100 bar feletti nyomásviszonyai mellett, de előfordulnak sóbányák mélyén vagy egészen szélsőséges pH-jú környezetben is. Nagy részük a csupán néhány évtizede ismert Archaea törzshöz tartozik, s a kutatók feltételezik, hogy számos képviselőjük rokonságban van a Földet egykor benépesítő, esetleg más égitesteken is előforduló kezdetleges életformákkal. Más elképzelés szerint viszont az emberi sejtek közeli rokonai.

Mielőtt közelebbről is megismerkednénk velük, tisztázzuk nevezéktanukat: extremofil - szélsőséges körülményeket kedvelő; mezofil - normál, átlagos körülményeket kedvelő; pszichrofil- alacsony hőmérsékletet kedvelő; termofil- magas hőmérsékletet kedvelő; hipertermofil - különösen magas hőmérsékletet kedvelő; acidofil- szélsőségesen savas kémhatást kedvelő; alkalifil- szélsőségesen lúgos kémhatást kedvelő; barofil - nagy nyomást kedvelő; halofil - sókedvelő.

Vajon miért érdemes alaposabban megismerkednünk ezekkel a különc élőlényekkel? Az élelmiszeripar, a vegyipar, a gyógyszeripar stb. területén számos gyártási folyamatban alkalmaznak mikroorganizmusokat vagy belőlük nyert biokatalizátorokat, enzimeket. Eddig többnyire mezofil szervezeteket vagy ezek enzimeit használták fel, melyek csupán egy keskeny hőmérséklet-, nyomás-, pH-tartományban stabilak és aktívak, vagyis vizes közegben, 20-40 °C hőmérsékleten, atmoszférikus nyomáson és semleges pH közelében fejtik ki legeredményesebben hatásukat. Azemlített iparágakban azonban olyan reakciólépésekre és körülményekre is szükség van, melyeket az extremofileknél megtalálható sejtfelépítés és anyagcsere biztosíthat. Ez sokkal szélesebb paramétertartományban is mezofil társaikhoz hasonló nagyságrendû stabilitást és aktivitást tesz lehetővé. Alkalmazásuk mellett szól az is, hogy az extremofileknél jóval kisebb a fertőzés veszélye, éppen az extrém körülmények által előidézett nagyobb sterilitás miatt.

Arra a kérdésre, hogy mi teszi képessé ezeket a szervezeteket az ilyen különleges életformára, választ találhatunk a TermészetVilága1998. júliusi számában Csermely Péter: Hogyan viselhető el az élet 95 °C-on?címû írásában. A cikk elsősorban a termofilekkelfoglalkozik, mi viszont az extremofilek további típusait is felsoroljuk és jellemezzük, valamint bemutatjuk néhány felhasználási lehetőségüket.

A rendkívüli hőmérsékletet kedvelő mikroorganizmusok két csoportra, hidegtûrőkreés hőtûrőkreoszthatók, utóbbiak lehetnek még: termofilek, illetve hipertermofilek.

Pszichrofilekkela sarki területeken találkozhatunk, különösen az állandóan 2-4 °C közötti hőmérsékletû sarki tengerekben. Szaporodásukhoz az 5-20 °C az optimális hőmérséklet. Felhasználhatók a hideg égöv alatt a talajok szenynyezőanyagainak lebontására, az élelmiszeriparban sajtok érlelésére, továbbá a mosószeriparban, a gyógyszeriparban, illetve jégfehérjéik révén mesterséges hó előállítására.

A termofilek50-80 °C között, a hipertermofilek 80-110 °C között szaporodnak a legjobban. Általában a Pyrobaculum, a Pyrodictium, a Pyrococcus és a Methanopyrus nemzetség képviselői. Leggyakoribb előfordulási helyeik a geotermikus eredetû és tektonikusan aktív zónák, például a vulkáni eredetû kéntartalmú területek, ahol a magma által felforrósított iszapmezők és források találhatók. Ezeken a helyeken a pH-érték 0,5 és 4 között változhat a magas szulfátkoncentráció következtében. Emellett tenger alatti hidrotermális kürtők, sekély vidékek és a mély tengerek lávahasadékai, meleg forrásai adnak otthont a baktériumoknak. A biotechnológiában a legtöbbször a hőtûrő mikroorganizmusok enzimjeit használják fel. Számos előnye van ugyanis annak, ha az anyagokat magasabb hőmérsékleten lehet reagáltatni egymással. A legfontosabb, hogy a hőmérséklet növelésével nő a reakciósebesség. Magasabb hőmérsékleten változik bizonyos szerves szubsztrátumok biológiai hozzáférhetősége és oldhatósága, csökken a viszkozitásuk, nő a diffúziós állandójuk. Különös jelentőségûek azok a reakciók, amelyek a kevésbé oldódó hidrofób anyagok átalakítását végzik.

Említsünk meg itt néhány példát a termofilek ipari alkalmazására. A mosóporok szinte kivétel nélkül tartalmaznak termofil enzimeket, a termofilek amiláz enzime vesz részt a keményítő hidrolízisében, a xilanázjátszik szerepet a papírfehérítésben, a celluláz pedig az úgynevezett kőmosott farmerek készítésében. A legnagyobb jelentősége talán mégis a DNS-polimerázokgéntechnológiai alkalmazásának van. Polimeráz-láncreakcióban a DNS-darabokat sokszorosítják termofil DNS-polimerázokkal. Ez azért fontos, mert a személyazonosításban, klinikai diagnosztikában kiválóan hasznosíthatók. A hipertermofilek sajátos sejtszerkezete képessé teszi őket arra is, hogy belőlük szerkezeti anyagokat, molekuláris szûrőket készítsenek. A környezetvédelemben olajos, zsíros szennyvizek kezelésében, hasonlóan szennyezett talajok tisztításában is kipróbálták e termofil baktériumokat.

Az extrém pH-értékeket kedvelő mikroorganizmusok két csoportra oszthatók; az alkalifileka 9-es pH feletti körülményeket kedvelik, az acidofilek pedig az 1-3,5 közöttit. Az előbbi csoport képviselői lúgos talajvizekben fordulnak leginkább elő, míg az acidofilek rendszerint a forró, kéntartalmú területeken. Kilences pH felett a mosószeriparban az illékony és instabil vegyületek stabilizálására vagy a gyógyszeriparban kiválóan alkalmasak az alkalifilek proteáz, amiláz, lipáz enzimei. A savas körülmények a szén kéntelenítésében is előnyösek.

Sókedvelőknek azokat a mikroorganizmusokat nevezik, amelyek számára a magas (3-35 százalék) sókoncentráció a kedvező. Ilyen körülményeket sóbányák sókristályaiban, sós tengerekben, sós tavakban és sósivatagokban találnak. Egyes utalások szerint sózott élelmiszerekben is előfordulnak. Ezek a baktériumok úgy védekeznek a magas sótartalommal szemben, hogy igen nagy a sejtnedvükben a sókoncentráció. Az élelmiszeriparban és a gyógyszeriparban van gyakorlati jelentőségük.

A nagy nyomást kedvelők közé azok a szervezetek és enzimeik sorolhatók, amelyek akár 100 bar feletti nyomást is elviselnek. Bár eddig még nem alkalmazták őket az iparban, bizonyára nem utópia az a feltételezés, hogy ilyen organizmusok katalizáljanak a jövőben például nagy nyomás alatt lejátszódó hidrogénezési reakciókat.

Az eddig említett csoportokról már viszonylag nagy terjedelmû a szakirodalom, s élénkül az érdeklődés e speciális lények iránt. Ezt bizonyítja, hogy a biotechnológiai konferenciákon már külön szekció foglalkozik a témával. Példaként az 1999. július 11-15. között Brüszszelben megtartott IX. európai biotechnológiai kongresszus említhető, ahol az elhangzott előadások egyike megismertetett bennünket az extremofilek egy újabb kategóriájával.

A korábbi csoportokkal ellentétben, a nehézfémekkel szemben ellenálló baktériumoknak nincsenek olyan enzimeik, amelyek a kifejezetten szélsőséges körülményeket is elviselik, de a mikroorganizmusok eszközei lehetnek a nehézfémekkel szennyezett környezet értékelésében és a szennyezésmentesítésben.

A nyolcvanas évek közepén indult vizsgálatok bebizonyították, hogy a legtöbb enzim képes a számára teljesen szokatlan közegben kifejteni hatását. Ezeket az enzimeket akkor még extremofilnek tekintették. Miután azonban egyre több enzimről derült ki, hogy szerves oldószerekben (például hexánban, benzolban, éterekben), sőt szuperkritikus oldószerekben, folyékony szén-dioxidban vagy propánban is képes mûködni, ma már inkább az a feltételezés az elfogadott, hogy valószínûleg minden enzim képes erre. Mivel az enzimeket ugyanazok az aminosavak építik fel, csak kellő kutatói kitartás kérdése, hogy megtaláljuk az adott enzim számára a neki megfelelő különleges közeget. Az 1. táblázatban foglaltuk össze, milyen előnyös és hátrányos hatásai lehetnek annak, ha nem a szokványos vizes közeget alkalmazzák az enzimkatalitikus reakciókban.

A vizes közeg helyettesítése szerves oldószerrel egyes enzimeknél eltolhatja a biokatalitikus reakciók egyensúlyát, módosíthatja az enzimek sajátságait, ami új vegyületek szintézisét teszi lehetővé. Először mezofil enzimek viselkedését vizsgálták szerves médiumokban. A sikeren felbuzdulva extremofil enzimeknél is hasonló kísérleteket indítottak.

A biotechnológiai reakciókban szerves közegben lejátszódó folyamatoknál pszichrofil enzimeket még nemigen alkalmaznak, halofileket és termofileket annál inkább. A halofilek azáltal lehetnek hasznosak, mert a sók a víz aktivitását csökkentik, a termofilek pedig termostabilitásuk mellett ellenállnak a proteolízisnek és a detergensek hatásainak.

Az extremofil enzimek alkalmazása szerves közegben eddig leginkább a szerves kémiai szintézisek területén terjedt el (2. táblázat). Az extremofilekkel foglalkozó kutatók érdekes tájakról és izgalmas körülmények között gyûjtik be a mikroorganizmusokat. Veszprémben, a Mûszaki Kémiai Kutatóintézet kísérletei egyrészt arra irányulnak, hogy a biokatalízis során a közeget úgy változtassák meg, hogy a mezofil enzimeket az extremofilekhez közelítő tulajdonságokkal ruházzák fel, elsősorban a termostabilitás miatt. (A reakcióközeg tulajdonságainak változtatásával - oldószer, vízutánzó adalék használata - ugyanis el lehet érni ilyen irányú változtatásokat.) Másrészt olyan különleges bioreaktorok kialakítása/kifejlesztése a kutatások célja, amelyek alkalmasak bizonyos extremofil törzsek „dolgoztatására".

Az első kísérletek eredményei rendkívül biztatóak. A Candida rugosa lipázenzimmel végzett vizsgálatok azt mutatják, hogy az enzim mûködéséhez feltétlenül szükséges víz egy része nemcsak hogy helyettesíthető vízutánzó adalékkal (például etilén-glikollal), hanem ennek hatására még javult is az enzim hőstabilitása. Az enzimaktivitás felezési ideje a különböző oldószerekben eltérő mértékben, de minden esetben számottevően megnőtt: az adalék alkalmazásakor a 60 °C-on mért felezési idő megközelítette az adalék nélkül 40 °Con mért értékeket.

Gejzírek és sarki tengerek (no meg pénz) hiányában segíthet az ötletesség, a látványért pedig remélhetően kárpótlást nyújtanak majd az elért eredmények.