Interessante fakta om arkea: mangfold, funksjoner og overraskende bruksområder

Planeten Jorden er så langt det eneste stedet i universet hvor liv kan oppnås på grunn av de klimatiske variablene som konvergerer i vårt habitat; i hovedsak har flytende vann, passende temperaturer og passende kjemiske reaksjoner muliggjort dannelsen og utviklingen av organismer som overlever ved å syntetisere energi fra karbon- og oksygenmolekyler.

Mennesker er en del av dette mannskapet som samhandler i verden, så vel som de forskjellige artene som vi ofte kan observere, men det er mange organismer som er ute av syne, og som på samme måte har en grunnleggende rolle i balansen mellom livet ; disse levende vesener De kalles mikroorganismerPå grunn av sin lille størrelse og grunnleggende organiske sammensetning, har denne elementære organiseringen av kroppssystemet muliggjort vellykket reproduksjon og spredning.

Arkæer og deres plass i livets tre

Mikrobiologi er vitenskapen som er ansvarlig for studiet av disse mikroorganismene og klassifiserer dem i henhold til visse aspekter som skiller dem, og dermed etablerer en beryktet forskjellen mellom flercellede og encellede organismerNår vi snakker om flercellede organismer, ser vi at de er livsformer som, selv om de er mikroskopiske, er sammensatt av flere celler som strukturerer sine grunnleggende interaksjonssystemer på en bestemt måte.

Selv om encellede organismer er avhengige av én celle for å utføre alle sine prosesser, inkluderer disse organismer som tilhører domenet eller riket Archaea, som en gang ble forvekslet med bakterier på grunn av deres strukturelle likheter. Disse mikroorganismene er encellede prokaryoter De har ikke en definert kjerne eller indre membranbundne organeller, men deres biokjemi og genetikk skiller dem fra bakterier.

Da de ble identifisert som en egen gruppe, ble de kalt arkebakterier og inkludert i det tidligere riket Monera. Imidlertid viste ribosomalt RNA og helgenomanalyser at arkea har en uavhengig evolusjonshistorie og unike molekylære trekk, og det er derfor de nå er anerkjent som et av livets tre hoveddomener: arkea, bakterier og eukaryoter.

Selv om du kanskje har hørt om disse merkelige levende vesenene, skal vi i denne artikkelen vise deg dem. Ting du sannsynligvis ikke visste om Archaea-riket og det vil garantert overraske deg, ved å integrere det som er kjent om deres biologi, deres mangfold, deres økologiske rolle og deres innvirkning på teknologi.

Omfattende moderne klassifisering og taksonomi av arkea

Arkæernes rike eller domene besitter en omfattende og fortsatt skiftende intern klassifiseringI motsetning til andre grupper av levende organismer, er de fleste arkearter bare kjent gjennom analyse av nukleinsyrene deres i miljøprøver, ettersom dyrking i laboratoriet ofte er komplekst. Dette betyr at systematikken til arkea stadig revideres.

Flere viktige slektslinjer er for tiden anerkjent innen Archaea. Mange forfattere diskuterer fire store kongedømmer eller supergrupper de viktigste basert på molekylær fylogeni:

• Metanobakterier (tidligere Euryarchaeota): grupperer det største antallet kjente arkea, inkludert de fleste av metanogene arkea som produserer metan, mange ekstreme halofiler og flere termoacidofile grupper.
• Termoproteot (også kjent som TACK-gruppen): inkluderer klasser som Nitrososphaeria, Korarchaeia og Thermoproteia, med en rekke termofile og hypertermofile, acidofiler og organismer involvert i ammoniumoksidasjon.
• Promethearchaeota eller AsgardEn fascinerende supergruppe som inneholder arkea som er svært nært beslektet med eukaryoter, med gener og proteiner som minner om celler med kjerne, og som kan representere den komplekse livs forfedres avstamning.
• Nanobdellati (ofte identifisert som DPANN-gruppen): dannet av arkea ultraliten, mange av dem syrefile eller hypertermofile, med svært reduserte genomer som Nanoarchaeum equitans.

Innenfor disse supergruppene foreslås flere kandidatrækker, som Bathyarchaeia, Hydrothermarchaeota og Lokiarchaeia, som hver grupperer slektslinjer med svært spesifikke økologiske og fysiologiske trekk. Det totale antallet foreslåtte arkeiske rekker overstiger ti, og bare en del av dem har blitt dyrket og studert i detalj, derfor Det sanne mangfoldet av arkea er fortsatt stort sett ukjent.

Arkæer, sammen med bakterier, er kjent for å være den mest tallrike gruppen av levende organismer på planeten, og omfatter en populasjon på billioner av individer som reproduserer seg ustanselig hver dag. Deres encellede struktur, som styrer livssyklusen deres, betyr at reproduksjon er en svært effektiv prosess og som vi vil forklare i detalj senere.

Unike cellulære egenskaper som skiller dem fra bakterier

Arkéer og bakterier er ganske like i størrelse og form, selv om arkéer kan vise svært uvanlige morfologier: fra klassiske kuler og stenger til flate og firkantede former som Haloquadratum walsbyi, filamenter på mer enn 200 mikron eller kolonier forbundet med hule rør (kanyler) som i slekten Pyrodictium.

Til tross for denne visuelle likheten med bakterier, har arkea gener og flere metabolske veier. nærmere de hos eukaryoterspesielt i enzymene som er involvert i transkripsjon og translasjon. Videre viser de unike biokjemiske egenskaper:

• Plasmamembran med lipider festet til glyserol av eterbindinger og haler dannet av forgrenede isoprenoidkjeder. Dette gir dem mye høyere motstand mot høye temperaturer, ekstrem pH og organiske løsemidler.
• Cellevegg uten typisk bakteriell peptidoglykan. Mange arkea har pseudopeptidoglykan, spesifikke glykoproteiner eller polysakkarider som fungerer som et beskyttende S-lag.
• Ribosomer av 70S-typen som hos bakterier, men med ribosomale proteiner og transkripsjonsfaktorer som er svært nær de hos eukaryoter, noe som forsterker det evolusjonære forholdet mellom Archaea og Eukarya.
• Arkeiske flageller strukturelt forskjellig fra bakterielle, mer lik type IV pili, satt sammen fra basen og ikke fra spissen.

En svært nylig oppdagelse har til og med vist at visse arkea er i stand til å danne en struktur som ligner på en nukleolusDette var noe som inntil nylig ble ansett som eksklusivt for eukaryote celler. Dette åpner for nye spørsmål om hvordan genuttrykk var organisert hos forfedrene til komplekst liv.

De lever i alle miljøer: fra ekstremofile til mesofile

Da man trodde at arkea var en del av bakterier, trodde man også at disse organismene bare kunne leve i ekstreme og svært spesifikke habitater. Imidlertid er det nå kjent at arter som tilhører arkea-riket kan være tilstede i et svært mangfoldig spekter av miljøer uten problemer.

Når det gjelder temperaturene disse levende vesenene tåler, varierer de noen ganger mellom over 100 °C og under -30 °CDet er også bemerkelsesverdig at de kan overleve og samhandle normalt i saltholdige miljøer der andre mikroorganismer ikke kan trives. Det er anslått at de kan være tilstede i mer enn 30 % av planeten når det gjelder miljømessig utbredelse, noe som gjenspeiler deres tilpasningsevne og overflod.

Ekstremofile arkea grupperes ofte i fire hovedtyper i henhold til deres habitat:

• HalofilDe lever i miljøer med høye saltkonsentrasjoner, som saltsjøer eller saltsletter, hvor de er flere enn bakterier over visse saltnivåer.
• Termofile og hypertermofileDe trives ved temperaturer over 45 °C og til og med over 80 °C, i varme kilder, hydrotermiske kilder og oljebrønner.
• Acidofiler og alkalifilerDe kan vokse ved ekstremt lave pH-nivåer, nær 0, eller svært høye nivåer, og utnytte den spesielle kjemien i miljøet sitt.
• PsykrofilerDe lever i svært kalde miljøer som polarhav, havis eller dype sedimenter, og syntetiserer enzymer som er aktive ved lave temperaturer.

Mange arkea er imidlertid mesofile og lever under moderate forhold: jordsmonn, tempererte hav, sumper, sedimenter og tarmen til mennesker og andre dyrI marint plankton kan visse arkea av Nitrososphaeria-gruppen utgjøre opptil 40 % av den mikrobielle biomassen, og deltar aktivt i nitrogensyklusen.

Takk til dette utrolig utholdenhet Det er dette som gjorde at dette kongeriket kunne blomstre helt fra jordens atmosfæres begynnelse, for rundt 2.500 milliarder år siden, og det som i stor grad har påvirket planetens og artens evolusjonære prosesser. Denne samme motstandskraften har gitt næring til spekulasjoner om den mulige eksistensen av lignende mikroorganismer på andre planeter eller måner med ekstreme forhold.

Allsidig metabolisme: de bearbeider flere ressurser enn andre mikrober

I motsetning til mange andre mikroorganismer, kan de som tilhører Archaea-riket bearbeide en større mangfold av næringsstoffer og råvarer som finnes i ulike miljøer. Blant dem kan vi nevne: nitrogen-, karbon- og svovelforbindelser; de har til og med prosesser som glykolyse (i sine egne varianter) for å utvinne energi som garanterer livssyklusen deres.

Basert på deres type ernæring kan arkea være:

• LitotroferDe får energi fra uorganiske forbindelser som ammoniakk, hydrogen, svovel eller jern, og spiller en nøkkelrolle i biogeokjemiske sykluser.
• OrganotroferDe bruker organiske forbindelser (sukkerarter, organiske syrer, alkoholer) som kilde til karbon og energi.
• Fototrofer Klassisk ikke-fotosyntetisk: noen haloarkaer bruker pigmenter som bakteriorhodopsin for å utnytte sollys og generere ATP uten å frigjøre oksygen.

Noen arter kan bruke sollys som energikilde uten å generere oksygen, slik som i fotosyntetiske prosesser, en unik egenskap. i de levende vesenene på denne planetenDette inkluderer ikke de som er metanogene, det vil si de som genererer metangass under svært spesifikke omstendigheter, inkludert den menneskelige tarmen, og det er derfor de antas å spille en grunnleggende rolle i fordøyelsesprosessen og i produksjonen av gasser.

Las metanogene arkea De bruker karbondioksid, hydrogen, acetat eller andre enkle forbindelser som elektronakseptorer under anaerobe forhold, og produserer metan som et biprodukt. Denne prosessen er essensiell i sumper, sedimenter, avløpsvannsrøtningsanlegg og drøvtyggervom, men den gjør også disse arkeaene til viktige aktører innen drivhusgasser.

Andre arkea fikserer karbon via alternative veier til Calvin-syklusen, slik som 3-hydroksypropionat/4-hydroksybutyrat-syklusen eller den reduktive acetyl-CoA-veien. I nitrogensyklusen oksiderer mange arkea i jord og hav ammoniakk, og frigjør nitritter som andre bakterier deretter omdanner til nitrater som kan brukes av planter.

Aseksuell reproduksjon og genetisk overføring

Arter som tilhører arkea-riket reproduserer seg utelukkende aseksuelt, gjennom prosesser som binær fisjon, multippel fisjon, knoppskyting eller fragmentering. Den vanligste mekanismen er binær fisjonsom består av å duplisere en enkelt celle ved å klone dens genetiske materiale og lage et individuelt cytoplasma for å huse det nye genetiske materialet; Grunnlaget for denne formen for reproduksjon er DNA-replikasjon, slik at organismen kan få en tilnærmet identisk kopi av seg selv.

Det er viktig å huske på at denne formen for reproduksjon også finnes i bakterier og andre encellede organismer som danner, og har dannet, grunnlaget for samspillskjeden mellom levende vesener på denne planeten. I arkea av slekten Sulfolobus er det observert at kromosomreplikasjon starter ved flere opprinnelser og bruker DNA-polymeraser som ligner på eukaryoter, mens proteinene som styrer celledeling minner mer om bakterielle.

Selv om de ikke er beskrevet endosporer I likhet med visse bakterier kan noen haloarkaer danne celler med fortykkede vegger som er mer motstandsdyktige mot osmotiske eller saltholdige endringer, slik at de kan overleve ugunstige forhold og kolonisere nye habitater.

I tillegg til klonal reproduksjon kan arkea utveksle genetisk materiale gjennom spesifikke plasmider og virusVirus med svært forskjellige morfologier har blitt oppdaget, inkludert flaskeformer, krokformede stenger og dråpeformede strukturer ulikt andre kjente virus, spesielt i termofile arkea som de av ordenen Sulfolobales. Mange arkea har forsvarssystemer basert på repeterte sekvenser og RNA (ligner på CRISPR-Cas-systemet), som lar dem gjenkjenne og nøytralisere invaderende DNA.

Forholdet til mennesker: mikrobiota og fravær av klare patogener

I utgangspunktet ble arkea ansett for å være irrelevante for menneskers helse fordi de hovedsakelig var kjent fra ekstreme miljøer. I dag vet vi imidlertid at de er en stabil del av menneskelig mikrobiota i ulike nisjer:

• TarmArter som Methanobrevibacter smithii er svært rikelig forekommende i tykktarmen og kan representere en viktig andel av intestinale prokaryoter, som deltar i fordøyelsen av polysakkarider og i produksjonen av metan.
• munnMethanobrevibacter oralis har blitt påvist i plakk og periodontale lommer, hvor den kan fremme anaerobe miljøer ved å forbruke hydrogen.
• Hud, luftveier og urinveierMetagenomiske studier har identifisert arkeologiske sekvenser på disse stedene, men i mindre mengder og fortsatt med uklare funksjoner.

Det finnes ingen kjente klare eksempler på obligate patogene arkea for mennesker eller andre dyr, men noen har blitt foreslått. indirekte assosiasjoner mellom overfloden av metanogener og lidelser som kronisk forstoppelse, irritabel tarm-syndrom med overvekt av forstoppelse, avansert periodontal sykdom eller visse tilfeller av intestinal dysbiose.

I de fleste tilfeller ser det ut til at arkea er mutualister eller kommensalerI tarmene til mennesker og drøvtyggere forbruker de hydrogen produsert av andre fermentative mikrober, slik at de kan få mer energi fra nedbrytningen av cellulose eller andre komplekse karbohydrater. Hos noen termitter lever arkea til og med i spesialiserte organeller (hydrogenosomer) av symbiotiske protozoer, og fullfører en kompleks metabolittutvekslingskrets.

De brukes i mange bransjer og i avansert bioteknologi.

For produksjon av visse industriprodukter til konsum, spesielt meieriprodukter og deres derivater, er bruken av bakterier og mikroorganismer som katalysatorer og aktivatorer av kjemiske reaksjoner velkjent. Disse reaksjonene gir disse produktene, som oster, myse og yoghurt, deres karakteristiske konsistens, smak, holdbarhet og tekstur. Det finnes imidlertid produksjonskjeder som krever høye temperaturer For å realisere visse egenskaper, tåler ikke de fleste bakterier disse svært varme forholdene, noe som gir vei til arkea som tåler mer enn 100 ºC og utvikler de endringene som kreves i disse matvarene for å oppnå effektiv kvalitet.

Enzymene i termofile og hypertermofile arkea (noen ganger kalt ekstremozymerDe er ekstremt varmestabile og motstår vanligvis denatureringsmidler, vaskemidler, organiske løsemidler og ekstreme pH-nivåer. Dette gjør dem uvurderlige for ulike bransjer:

• Mat industriAmylaser, galaktosidaser og pullulanaser fra arter som Pyrococcus furiosus fungerer ved høye temperaturer, noe som tillater behandling av melk med lavt laktoseinnhold, myse og andre produkter uten å miste enzymatisk aktivitet.
• MolekylbiologiTermostabile DNA-polymeraser utvunnet fra arkea har revolusjonert polymerasekjedereaksjonen (PCR) ved å motstå gjentatte sykluser med denaturering, annealing og forlengelse uten å brytes ned.
• Vaskemiddel-, tekstil-, papir- og lærindustrienHøytemperaturbestandige enzymer og overflateaktive stoffer brukes til å forbedre vaskeeffektiviteten, fiberbehandlingen og papir- og lærbearbeidingen.
• Biogassproduksjon og vannbehandlingMetanogene arkea er grunnleggende i anaerobe nedbrytningsanlegg, hvor de omdanner organisk avfall til metan som kan brukes som en fornybar energikilde.
• gruvedriftI gruvedrift brukes mange arkea som samarbeider effektivt i de kjemiske reaksjonene som er nødvendige for å utvinne mineraler som gull, kobolt og kobber, noe som letter bioutvaskingsprosesser som er mer miljøvennlige.

Innen medisin har det blitt gjort betydelige fremskritt gjennom Archaea-riket, ettersom noen antibiotika har blitt produsert basert på disse organismene, noe som hjelper mange mennesker som er allergisk mot tradisjonelle antibiotikaVidere er det identifisert forbindelser av arkeisk opprinnelse med strukturer som er svært forskjellige fra strukturene til bakterielle antibiotika, noe som åpner døren for nye virkningsmekanismer mot resistente patogener.

Mindre enn én prosent av eksisterende mikroorganismer har blitt studert i detalj, så det anslås at millioner av arkea fortsatt er uoppdaget, spesielt i ekstreme miljøer: havbunn, høytrykkssoner, ekstreme kjemiske gradienter eller nisjer som har blitt lite undersøkt. Hver nylig identifiserte avstamning representerer en potensiell kilde til nye enzymer, forskjellige antibiotika og unike metabolske veier med bioteknologisk potensial.

Det store biologiske mangfoldet blant ekstremofile mikroorganismer og deres evne til å syntetisere aktive proteiner under ekstreme forhold har åpnet et lovende felt innen bioteknologi, ettersom mange industrielle prosesser skjer under ekstreme forhold med hensyn til temperatur, trykk, ionestyrke, pH og tilstedeværelse av organiske løsemidler. Videre kan disse enzymene brukes som modeller for å designe spesiallagde proteiner gjennom genteknologi, tilpasset spesifikke bruksområder.

Selv om arkea ble oppdaget som en egen gruppe relativt nylig, og dyrkingen av dem fortsatt er utfordrende i mange tilfeller, avslører kombinasjonen av selektive avlsteknikker, metagenomikk, massiv sekvensering og strukturbiologi stadig flere detaljer om deres mangfold og evner. Alt tyder på at dette livets domene, like diskret som det er rikelig, fortsatt har mye å bidra med, både til å forstå vår opprinnelse og til å utvikle mer effektive og bærekraftige teknologier.