Ketika penjelajahan danau Whillans di Antartika dimulai, para peneliti tidak mengharapkan akan menemukan banyak kehidupan. Suhu yang sangat rendah dan kurangnya sumber nutrisi yang jelas tampaknya tidak memungkinkan untuk mendukung ekosistem yang subur. Namun, mereka terkejut saat mendapati sampel yang diambil dari danau menunjukkan kehidupan mikroba yang melimpah. Di lingkungan ekstrem lainnya, bakteri juga ditemukan tumbuh di dasar laut, di lubang hidrotermal, tempat suhu bisa mencapai 340 °C (700 °F).
Mikroba secara umum dapat diklasifikasikan berdasarkan rentang suhu di mana mereka dapat tumbuh. Tingkat pertumbuhan paling tinggi tercapai pada suhu pertumbuhan optimum bagi organisme tersebut. Suhu terendah yang memungkinkan organisme bertahan hidup dan bereproduksi disebut suhu pertumbuhan minimum, sementara suhu tertinggi di mana pertumbuhan masih dapat terjadi disebut suhu pertumbuhan maksimum.
Organisme yang dikategorikan sebagai **mesofil** (penyuka suhu sedang) beradaptasi pada suhu sedang, dengan suhu pertumbuhan optimal berkisar antara suhu ruangan (sekitar 20 °C) hingga sekitar 45 °C. Mikroba yang menjadi bagian dari mikrobiota manusia, seperti *E. coli*, *Salmonella spp.*, dan *Lactobacillus spp.*, termasuk dalam kategori ini, dengan suhu optimal 37 °C, yang sama dengan suhu tubuh manusia.
Selain mesofil, terdapat mikroba **psikrotoleran**, yang dapat bertahan pada lingkungan dingin, hingga suhu sekitar 4 °C. Mikroorganisme ini sering ditemukan di lingkungan alami di iklim sedang dan bertanggung jawab atas pembusukan makanan di suhu lemari es. Organisme yang ditemukan di danau-danau Arktik seperti danau Whillans dikategorikan sebagai **psikrofil ekstrem** (penyuka suhu dingin ekstrem). Mikroba ini memiliki suhu pertumbuhan optimal pada atau di bawah 15 °C, dan bahkan dapat tumbuh pada suhu 0 °C atau lebih rendah. Biasanya, psikrofil tidak dapat bertahan pada suhu di atas 20 °C dan hidup di lingkungan dingin permanen, seperti perairan laut dalam. Karena aktif pada suhu rendah, mikroba ini menjadi dekomposer penting di iklim dingin.
Organisme yang tumbuh pada suhu optimal 50 °C hingga maksimum 80 °C disebut **termofil** (penyuka panas). Mikroba ini banyak ditemukan di sumber air panas, tanah geotermal, dan lingkungan buatan seperti tumpukan kompos. Salah satu contoh adalah *Thermus aquaticus* dan *Geobacillus spp.* Di ujung spektrum suhu yang lebih ekstrem terdapat **hipertermofil**, yang memiliki rentang suhu pertumbuhan dari 80 °C hingga 110 °C, bahkan beberapa dapat bertahan di suhu di atas 121 °C. Lubang hidrotermal di dasar laut menjadi contoh lingkungan ekstrem di mana suhu dapat mencapai 340 °C, yang memungkinkan mikroba seperti *Pyrobolus* dan *Pyrodictium*, organisme arkea, untuk tumbuh optimal pada suhu di atas 100 °C.
Kehidupan di lingkungan ekstrem ini menimbulkan pertanyaan menarik tentang adaptasi makromolekul dan proses metabolisme. Suhu yang sangat rendah mempengaruhi sel dalam berbagai cara, seperti mengurangi fluiditas membran dan mengakibatkan pembentukan kristal es. Reaksi kimia dan difusi melambat secara signifikan, dan protein menjadi terlalu kaku sehingga tidak dapat mengkatalisis reaksi dan dapat mengalami denaturasi. Di sisi lain, panas berlebih menyebabkan denaturasi protein dan asam nukleat, serta mengganggu proses metabolik dalam membran.
Adaptasi Struktural Mikroba dalam Suhu Ekstrem
Protein pada mikroba psikrofil memiliki karakteristik yang unik, termasuk kandungan residu hidrofobik yang tinggi, fleksibilitas yang meningkat, dan ikatan stabilisasi yang lebih sedikit dibandingkan protein pada mesofil. Mereka juga memiliki protein antibeku serta zat terlarut lain yang menurunkan titik beku sitoplasma. Lipid dalam membran mereka cenderung tidak jenuh untuk meningkatkan fluiditas. Dengan kondisi yang sesuai, mesofil dan bahkan termofil dapat bertahan dari pembekuan. Kultur bakteri cair dicampur dengan gliserol steril dan dibekukan hingga −80 °C untuk penyimpanan jangka panjang.
Makromolekul pada termofil dan hipertermofil juga memiliki perbedaan struktural signifikan dibandingkan dengan yang ada pada mesofil. Rasio lipid jenuh terhadap lipid tak jenuh meningkat untuk membatasi fluiditas membran sel. Urutan DNA pada mikroba ini menunjukkan kandungan basa nitrogen guanin-sitosin yang lebih tinggi, yang memiliki ikatan hidrogen tiga kali lipat, sehingga lebih stabil daripada ikatan adenina-timin yang hanya memiliki dua ikatan hidrogen. Tambahan ikatan sekunder ionik dan kovalen, serta penggantian asam amino kunci, membantu protein tetap stabil terhadap denaturasi. Enzim termostabil dari termofil, seperti *Taq* polimerase yang diisolasi dari *T. aquaticus*, memiliki aplikasi penting dalam teknologi PCR.
