Extremophile sind Mikroorganismen, die unter extremen physikalischen oder geochemischen Bedingungen leben und sich vermehren können, die für die meisten anderen Lebensformen als tödlich gelten würden. Der Begriff "extremophil" bedeutet wörtlich "extrem liebend" und wurde erstmals in den 1970er Jahren geprägt. Diese Organismen haben einzigartige Anpassungsstrategien entwickelt, um in Umgebungen zu überleben, die durch hohe oder niedrige Temperaturen, extremen Druck, hohe Salzkonzentrationen, hohe oder niedrige pH-Werte, hohe Strahlung oder das Vorhandensein toxischer Chemikalien gekennzeichnet sind. Sie stellen die traditionelle Vorstellung in Frage, dass Leben nur unter moderaten, "irdischen" Bedingungen existieren kann.

Es gibt verschiedene Kategorien von Extremophilen, die nach den extremen Bedingungen benannt sind, unter denen sie gedeihen. Thermophile und Hyperthermophile sind Organismen, die bei hohen Temperaturen leben, oft über 60°C, wobei Hyperthermophile sogar Temperaturen über 80°C oder 100°C tolerieren. Psychrophile hingegen sind kälteliebend und gedeihen bei Temperaturen unter 15°C, oft sogar unter dem Gefrierpunkt. Halophile benötigen hohe Salzkonzentrationen für ihr Wachstum und sind in Salzseen oder Salzpfannen zu finden. Acidophile bevorzugen saure Umgebungen mit einem pH-Wert unter 3, während Alkaliphile in alkalischen Umgebungen mit einem pH-Wert über 9 leben. Barophile oder Piezophile sind an hohen Druck angepasst, wie er in den Tiefen der Ozeane herrscht. Radiophile können hohe Dosen ionisierender Strahlung überleben.

Die erstaunliche Fähigkeit von Extremophilen, unter solch harten Bedingungen zu überleben, beruht auf speziellen molekularen und zellulären Anpassungen. Viele extremophile Enzyme, sogenannte Extremozyme, sind besonders stabil und funktionsfähig unter extremen Bedingungen, bei denen Enzyme von mesophilen Organismen denaturieren würden. Zum Beispiel haben thermophile Organismen Proteine mit einer erhöhten Anzahl von Salzbrücken und Wasserstoffbrückenbindungen, die ihnen eine höhere thermische Stabilität verleihen. Psychrophile produzieren Enzyme, die bei niedrigen Temperaturen flexibel bleiben. Halophile akkumulieren in ihren Zellen osmolytische Substanzen, um den osmotischen Druck auszugleichen, oder haben eine hohe intrazelluläre Salzkonzentration. Acidophile und Alkaliphile regulieren ihren intrazellulären pH-Wert streng, um ihre zellulären Prozesse aufrechtzuerhalten.

Extremophile sind in einer Vielzahl von Umgebungen auf der Erde zu finden, die einst als lebensfeindlich galten. Dazu gehören hydrothermale Quellen in der Tiefsee, heiße Quellen und Geysire wie im Yellowstone-Nationalpark, arktische und antarktische Eislandschaften, salzige Seen wie das Tote Meer, saure Minenabflüsse, alkalische Wüstenböden und sogar nukleare Abfalllager. Ihre Entdeckung hat unser Verständnis der Grenzen des Lebens erheblich erweitert und die Astrobiologie maßgeblich beeinflusst, da sie die Möglichkeit von Leben auf anderen Himmelskörpern unter extremen Bedingungen nahelegt. Die Untersuchung von Extremophilen liefert uns Einblicke in die frühe Evolution des Lebens auf der Erde, als die Bedingungen wahrscheinlich extremer waren als heute.

Die einzigartigen Eigenschaften von Extremophilen und ihren Extremozymen machen sie für eine Vielzahl biotechnologischer Anwendungen hochinteressant. Extremozyme werden in industriellen Prozessen eingesetzt, die hohe Temperaturen, extreme pH-Werte oder hohe Salzkonzentrationen erfordern, wie zum Beispiel in der Waschmittelindustrie (thermostabile Amylasen und Proteasen), in der Bioenergieproduktion (Cellulasen für die Biomasseumwandlung), in der Lebensmittelverarbeitung, in der Textilindustrie und in der pharmazeutischen Industrie. Sie sind auch wertvolle Werkzeuge in der Molekularbiologie, beispielsweise die hitzestabile Taq-Polymerase, die in der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) unverzichtbar ist. Ihre Fähigkeit, unter extremen Bedingungen zu überleben, macht sie auch zu potenziellen Kandidaten für die Bioremediation von verschmutzten Standorten.