Planéta Zem je zatiaľ jediným miestom vo vesmíre, kde je možné dosiahnuť fluorescenciu života vďaka klimatickým premenným, ktoré sa zbiehajú v našom prostredí; v podstate tekutá voda, vhodné teploty a vhodné chemické reakcie umožnili vznik a vývoj organizmov, ktoré prežívajú syntézou energie z molekúl uhlíka a kyslíka.
Ľudia sú súčasťou tejto posádky, ktorá interaguje vo svete, ako aj rôzne druhy, ktoré môžeme bežne pozorovať. Existuje však veľa organizmov, ktoré sú mimo dohľadu a ktoré rovnako zohrávajú zásadnú úlohu v rovnováhe života. ; tieto živé bytosti Nazývajú sa mikroorganizmyVďaka svojej malej veľkosti a základnému organickému zloženiu umožnila táto elementárna organizácia jeho telesného systému úspešné rozmnožovanie a množenie.
Archea a ich miesto v strome života
Mikrobiológia je veda, ktorá je zodpovedná za štúdium týchto mikroorganizmov a ich klasifikáciu podľa určitých aspektov, ktoré ich odlišujú, čím sa vytvára notoricky známa rozdiel medzi jednobunkovými a mnohobunkovými organizmamiKeď hovoríme o mnohobunkových organizmoch, zistíme, že ide o formy života, ktoré sú síce mikroskopické, ale skladajú sa z niekoľkých buniek, ktoré určitým spôsobom štruktúrujú svoje základné interakčné systémy.
Zatiaľ čo jednobunkové organizmy sa na vykonávanie všetkých svojich procesov spoliehajú na jednu bunku, patria sem organizmy patriace do domény alebo ríše Archaea, ktoré boli kedysi zamieňané s baktériami kvôli ich štrukturálnym podobnostiam. Tieto mikroorganizmy sú jednobunkové prokaryoty Nemajú definované jadro ani vnútorné membránovo viazané organely, ale ich biochémia a genetika ich odlišujú od baktérií.
Keď boli identifikované ako samostatná skupina, boli nazvané archaebaktérie a zaradené do bývalej ríše Monera. Analýzy ribozomálnej RNA a celého genómu však ukázali, že archaea majú nezávislá evolučná história a jedinečné molekulárne vlastnosti, a preto sú teraz uznávané ako jedna z troch hlavných domén života: archeje, baktérie a eukaryoty.
Hoci ste o týchto zvláštnych živých bytostiach možno už počuli, v tomto článku vám ich ukážeme... Veci, ktoré ste pravdepodobne nevedeli o ríši Archaea a to vás určite prekvapí, keďže spojí to, čo je známe o ich biológii, ich rozmanitosti, ich ekologickej úlohe a ich vplyve na technológiu.
Rozsiahla moderná klasifikácia a taxonómia archaea
Ríša alebo doména Archaea má rozsiahla a stále sa meniaca interná klasifikáciaNa rozdiel od iných skupín živých organizmov je väčšina druhov archeí známa iba prostredníctvom analýzy ich nukleových kyselín vo vzorkách životného prostredia, pretože ich kultivácia v laboratóriu je často zložitá. To znamená, že systematika archeí sa neustále reviduje.
V rámci Archaea je v súčasnosti rozpoznaných niekoľko hlavných línií. Mnohí autori o tom diskutujú štyri veľké kráľovstvá alebo superskupiny hlavné založené na molekulárnej fylogenéze:
- Metanobaktérie (predtým Euryarchaeota): zoskupuje najväčší počet známych archeí vrátane väčšiny metanogénne archeje ktoré produkujú metán, mnoho extrémnych halofilov a niekoľko termoacidofilných skupín.
- Termoproteín (tiež známa ako skupina TACK): zahŕňa triedy ako Nitrososphaeria, Korarchaeia a Thermoproteia s početnými termofily a hypertermofily, acidofily a organizmy zapojené do oxidácie amoniaku.
- Promethearchaeota alebo AsgardFascinujúca superskupina obsahujúca archea veľmi blízko príbuzné eukaryotom, s génmi a proteínmi pripomínajúcimi bunky s jadrom a ktoré by mohli reprezentovať rodová línia komplexného života.
- Nanobdellati (často označovaná ako skupina DPANN): tvorená archeami ultramalý, mnohé z nich acidofilné alebo hypertermofilné, s veľmi redukovanými genómami, ako napríklad Nanoarchaeum equitans.
V rámci týchto superskupín sa navrhuje viacero kandidátskych kmeňov, ako napríklad Bathyarchaeia, Hydrothermarchaeota a Lokiarchaeia, pričom každá zoskupuje línie s veľmi špecifickými ekologickými a fyziologickými znakmi. Celkový počet navrhovaných kmeňov archaeí presahuje desať a preto bola kultivovaná a podrobne študovaná iba časť z nich. Skutočná rozmanitosť archaea zostáva do značnej miery neznáma.
Archea sú spolu s baktériami známe ako najpočetnejšia skupina živých organizmov na planéte, ktorá zahŕňa populáciu biliónov jedincov, ktorí sa každý deň neprestajne rozmnožujú. Ich jednobunková štruktúra, ktorá riadi ich životný cyklus, znamená, že jeho reprodukcia je vysoko efektívny proces a ktoré si neskôr podrobnejšie vysvetlíme.
Unikátne bunkové vlastnosti, ktoré ich odlišujú od baktérií
Archea a baktérie sú si veľkosťou a tvarom dosť podobné, hoci archea môžu vykazovať veľmi nezvyčajné morfológieod klasických guľôčok a tyčí až po sploštené a štvorcové tvary ako Haloquadratum walsbyi, vlákna s veľkosťou viac ako 200 mikrónov alebo kolónie spojené dutými trubicami (kanylami) ako v rode Pyrodictium.
Napriek tejto vizuálnej podobnosti s baktériami majú archea gény a niekoľko metabolických dráh. bližšie k eukaryotomnajmä v enzýmoch zapojených do transkripcie a translácie. Okrem toho vykazujú jedinečné biochemické vlastnosti:
- Plazmatická membrána s lipidmi pripojenými ku glycerolu pomocou éterové väzby a chvosty tvorené rozvetvenými izoprenoidovými reťazcami. To im dáva oveľa vyššiu odolnosť voči vysokým teplotám, extrémnemu pH a organickým rozpúšťadlám.
- Bunková stena bez typického bakteriálneho peptidoglykánu. Mnohé archeje majú pseudopeptidoglykán, špecifické glykoproteíny alebo polysacharidy, ktoré pôsobia ako ochranná S-vrstva.
- Ribozómy typu 70S ako baktérie, ale s ribozomálnymi proteínmi a transkripčnými faktormi veľmi blízkymi eukaryotickým, čo posilňuje evolučný vzťah medzi archeami a eukaryami.
- Archeanské bičíky štrukturálne odlišné od bakteriálnych, viac podobné pilom typu IV, zostavené od základne a nie od špičky.
Veľmi nedávny objav dokonca ukázal, že niektoré archea sú schopné vytvoriť štruktúru podobnú jadierkoToto bolo donedávna považované za výlučné pre eukaryotické bunky. To otvára nové otázky o tom, ako bola organizovaná génová expresia u predkov komplexného života.
Obývajú všetky prostredia: od extrémofilov po mezofily
Keď sa predpokladalo, že archea sú súčasťou baktérií, predpokladalo sa tiež, že tieto organizmy môžu žiť iba v extrémnych a veľmi špecifických biotopoch; teraz je však známe, že druhy patriace do ríše archea sa môžu bez problémov vyskytovať vo veľmi rozmanitom spektre prostredí.
Pokiaľ ide o teploty, ktoré tieto živé bytosti znesú, niekedy sa pohybujú medzi nad 100 °C a pod -30 °CJe tiež pozoruhodné, že dokážu prežiť a normálne interagovať v slanom prostredí, kde by sa žiadny iný mikroorganizmus nemohol rozvíjať. Odhaduje sa, že z hľadiska rozšírenia v prostredí sa môžu vyskytovať na viac ako 30 % planéty, čo odráža ich prispôsobivosť a početnosť.
Extremofilné archeje sa často zoskupujú do štyroch hlavných typov podľa ich biotopu:
- HalofilnýŽijú v prostrediach s vysokou koncentráciou soli, ako sú slané jazerá alebo soľné pláne, kde nad určitou úrovňou slanosti prevyšujú počet baktérií.
- Termofily a hypertermofilyDarí sa im pri teplotách nad 45 °C a dokonca aj nad 80 °C, v horúcich prameňoch, hydrotermálnych prieduchoch a ropných vrtoch.
- Acidofily a alkalifilyMôžu rásť pri extrémne nízkych hodnotách pH, blízkych 0, alebo veľmi vysokých hodnotách, pričom využívajú špecifické chemické zloženie svojho prostredia.
- PsychrofiliŽijú vo veľmi chladnom prostredí, ako sú polárne moria, morský ľad alebo hlboké sedimenty, a syntetizujú enzýmy aktívne pri nízkych teplotách.
Mnohé archeje sú však mezofilné a obývajú mierne podmienky: pôdy, mierne oceány, močiare, sedimenty a črevo ľudí a iných zvieratV morskom planktóne môžu určité archea zo skupiny Nitrososphaeria tvoriť až 40 % mikrobiálnej biomasy a aktívne sa podieľať na cykle dusíka.
Vďaka tomu neuveriteľná výdrž Toto umožnilo tejto ríši prosperovať od samého začiatku vzniku zemskej atmosféry, približne pred 2.500 miliardami rokov, a čo výrazne ovplyvnilo evolučné procesy planéty a jej druhov. Táto odolnosť podnietila špekulácie o možnej existencii podobných mikroorganizmov na iných planétach alebo mesiacoch s extrémnymi podmienkami.
Všestranný metabolizmus: spracovávajú viac zdrojov ako iné mikróby
Na rozdiel od mnohých iných mikroorganizmov, tie patriace do ríše Archaea dokážu spracovať... väčšia rozmanitosť živín a surovín ktoré sa nachádzajú v rôznych prostrediach. Medzi ne môžeme spomenúť: zlúčeniny dusíka, uhlíka a síry; dokonca majú procesy ako glykolýza (vo vlastných variáciách) na získanie energie, ktorá zaručuje ich životné cykly.
Na základe typu výživy môžu byť archeje:
- LitotrofyEnergiu získavajú z anorganických zlúčenín, ako je amoniak, vodík, síra alebo železo, a zohrávajú kľúčovú úlohu v biogeochemických cykloch.
- OrganotrofyAko zdroj uhlíka a energie používajú organické zlúčeniny (cukry, organické kyseliny, alkoholy).
- Fototrofy Klasická nefotosyntetická: niektoré haloarcheje používajú pigmenty, ako napríklad bakteriorodopsín, na využitie slnečného žiarenia a tvorbu ATP bez uvoľňovania kyslíka.
Niektoré druhy dokážu využívať slnečné svetlo ako zdroj energie bez tvorby kyslíka, ako je to pri fotosyntetických procesoch, čo je jedinečná vlastnosť. v živých bytostiach tejto planétyNezahŕňa to tie, ktoré sú metanogénne, teda tie, ktoré vytvárajú metán za veľmi špecifických okolností, vrátane ľudského čreva, a preto sa predpokladá, že zohrávajú zásadnú úlohu v tráviacom procese a pri tvorbe plynov.
L metanogénne archeje V anaeróbnych podmienkach využívajú ako akceptory elektrónov oxid uhličitý, vodík, octan alebo iné jednoduché zlúčeniny, pričom ako vedľajší produkt produkujú metán. Tento proces je nevyhnutný v močiaroch, sedimentoch, digestoroch odpadových vôd a bachoroch prežúvavcov, ale vďaka nemu sú tieto archea aj významnými hráčmi v rámci... skleníkové plyny.
Iné archea fixujú uhlík alternatívnymi cestami ku Calvinovmu cyklu, ako je napríklad 3-hydroxypropionátový/4-hydroxybutyrátový cyklus alebo redukčná dráha acetyl-CoA. V dusíkovom cykle mnohé archea v pôde a oceánoch oxidujú amoniak, čím uvoľňujú dusitany, ktoré potom iné baktérie premieňajú na dusičnany využiteľné rastlinami.
Nepohlavné rozmnožovanie a genetický prenos
Druhy patriace do ríše Archaea sa rozmnožujú výlučne nepohlavne, prostredníctvom procesov, ako je binárne štiepenie, viacnásobné štiepenie, pučanie alebo fragmentácia. Najbežnejším mechanizmom je Binárne deleniektorá spočíva v duplikácii jednej bunky klonovaním jej genetického materiálu a vytvorením individuálnej cytoplazmy na uloženie nového genetického materiálu; základom tejto formy reprodukcie je replikácia DNA, ktorá umožňuje organizmu získať prakticky identickú kópiu seba samého.
Je dôležité zvážiť, že táto forma reprodukcie je prítomná aj u baktérií a iných jednobunkových organizmov, ktoré tvoria a tvorili základ reťazca interakcie medzi živými bytosťami na tejto planéte. U archaeí rodu Sulfolobus sa pozorovalo, že replikácia chromozómov sa začína na viacerých miestach a využíva DNA polymerázy podobné tým, ktoré majú eukaryoty, zatiaľ čo proteíny, ktoré riadia bunkové delenie, sa viac podobajú bakteriálnym.
Hoci neboli opísané endospóry Podobne ako niektoré baktérie, aj niektoré haloarcheje môžu tvoriť bunky so zhrubnutými stenami, ktoré sú odolnejšie voči osmotickým zmenám alebo zmenám slanosti, čo im umožňuje prežiť nepriaznivé podmienky a kolonizovať nové biotopy.
Okrem klonálneho rozmnožovania si archeje môžu vymieňať genetický materiál aj prostredníctvom špecifické plazmidy a vírusyBoli zistené vírusy s veľmi rozmanitou morfológiou, vrátane tvarov fliaš, hákovitých tyčiniek a kvapkovitých štruktúr, na rozdiel od iných známych vírusov, najmä u termofilných archeí, ako sú vírusy z radu Sulfolobales. Mnohé archeí majú obranné systémy založené na opakovaných sekvenciách a RNA (podobne ako systém CRISPR-Cas), ktoré im umožňujú rozpoznať a neutralizovať inváznu DNA.
Vzťah s ľuďmi: mikrobiota a absencia jasných patogénov
Spočiatku sa predpokladalo, že archea sú irelevantné pre ľudské zdravie, pretože boli známe najmä z extrémnych prostredí. Dnes však vieme, že sú stabilnou súčasťou... ľudská mikrobiota v rôznych výklenkoch:
- ČrevoDruhy ako Methanobrevibacter smithii sú v hrubom čreve veľmi hojné a môžu predstavovať dôležitú frakciu črevných prokaryotov, pričom sa podieľajú na trávení polysacharidov a na produkcii metánu.
- BocaMethanobrevibacter oralis bol detegovaný v zubnom povlaku a parodontálnych vačkoch, kde by mohol podporovať anaeróbne prostredie spotrebou vodíka.
- Koža, dýchacie cesty a močový systémMetagenomické štúdie identifikovali archaálne sekvencie v týchto lokalitách, aj keď v menšom množstve a stále s nejasnými funkciami.
Nie sú známe žiadne jasné príklady obligátne patogénnych archeí pre ľudí alebo iné zvieratá, ale niektoré boli navrhnuté. nepriame asociácie medzi množstvom metanogénov a poruchami, ako je chronická zápcha, syndróm dráždivého čreva s prevahou zápchy, pokročilé ochorenie parodontu alebo určité prípady črevnej dysbiózy.
Vo väčšine prípadov sa archea javí ako mutualisti alebo komenzaliV črevách ľudí a prežúvavcov konzumujú vodík produkovaný inými fermentačnými mikróbmi, čo im umožňuje získať viac energie rozkladom celulózy alebo iných komplexných sacharidov. U niektorých termitov žijú archeje dokonca v špecializovaných organelách (hydrogenozómoch) symbiotických prvokov, čím uzatvárajú komplexný cyklus výmeny metabolitov.
Používajú sa v mnohých priemyselných odvetviach a v pokročilých biotechnológiách.
Na výrobu určitých priemyselných výrobkov na ľudskú spotrebu, najmä mliečnych výrobkov a ich derivátov, je dobre známe používanie baktérií a mikroorganizmov ako katalyzátorov a aktivátorov chemických reakcií. Tieto reakcie dávajú týmto výrobkom, ako sú syry, srvátka a jogurt, ich charakteristickú konzistenciu, chuť, trvanlivosť a textúru; existujú však výrobné reťazce, ktoré si vyžadujú vysoké teploty Pre dosiahnutie určitých charakteristík väčšina baktérií nedokáže odolať týmto veľmi horúcim podmienkam, čím ustupujú archeám, ktoré dokážu odolať teplotám nad 100 °C a vyvíjať zmeny potrebné v týchto potravinách na dosiahnutie účinnej kvality.
Enzýmy termofilných a hypertermofilných archeí (niekedy nazývané extrémozýmySú extrémne tepelne stabilné a zvyčajne odolávajú denaturačným činidlám, detergentom, organickým rozpúšťadlám a extrémnym hodnotám pH. Vďaka tomu sú neoceniteľné pre rôzne odvetvia:
- Potravinársky priemyselAmylázy, galaktozidázy a pullulanázy z druhov ako Pyrococcus furiosus fungujú pri vysokých teplotách, čo umožňuje spracovanie mlieka, srvátky a iných produktov s nízkym obsahom laktózy bez straty enzymatickej aktivity.
- Molekulárna biológiaTermostabilné DNA polymerázy získané z archaea spôsobili revolúciu v polymerázovej reťazovej reakcii (PCR) tým, že odolávajú opakovaným cyklom denaturácie, žíhania a extenzie bez degradácie.
- Priemysel čistiacich prostriedkov, textilný, papierenský a kožiarsky priemyselEnzýmy a povrchovo aktívne látky odolné voči vysokým teplotám sa používajú na zlepšenie účinnosti prania, úpravy vlákien a spracovania papiera a kože.
- Výroba bioplynu a úprava vodyMetanogénne archeje sú základom anaeróbnych digestorov, kde premieňajú organický odpad na metán, ktorý sa môže použiť ako obnoviteľný zdroj energie.
- baníctvoV baníctve sa používa mnoho archaea, ktoré efektívne spolupracujú v chemických reakciách potrebných na získanie minerálov, ako je zlato, kobalt a meď, čím uľahčujú procesy biolúhovania, ktoré sú šetrnejšie k životnému prostrediu.
V medicíne sa vďaka ríši archeí dosiahol značný pokrok, keďže na základe týchto organizmov boli vyrobené niektoré antibiotiká, ktoré pomohli mnohým ľuďom, ktorí... alergický na tradičné antibiotikáOkrem toho boli identifikované zlúčeniny archaálneho pôvodu so štruktúrami veľmi odlišnými od štruktúr bakteriálnych antibiotík, čo otvára dvere novým mechanizmom účinku proti rezistentným patogénom.
Menej ako jedno percento existujúcich mikroorganizmov bolo podrobne študovaných, takže sa odhaduje, že milióny archeí ešte len čakajú na objavenie, najmä v extrémnych prostrediach: oceánske dno, zóny vysokého tlaku, extrémne chemické gradienty alebo výklenky, z ktorých bolo odobratých len málo vzoriek. Každá novo identifikovaná línia predstavuje potenciálny zdroj nové enzýmy, rôzne antibiotiká a jedinečné metabolické dráhy s biotechnologickým potenciálom.
Veľká biodiverzita extrémofilných mikroorganizmov a ich schopnosť syntetizovať aktívne proteíny v extrémnych podmienkach otvorila sľubnú oblasť v biotechnológii, keďže mnohé priemyselné procesy prebiehajú za extrémnych podmienok teploty, tlaku, iónovej sily, pH a prítomnosti organických rozpúšťadiel. Okrem toho sa tieto enzýmy môžu použiť ako... modely pre navrhovanie proteínov na mieru prostredníctvom genetického inžinierstva, prispôsobené špecifickým aplikáciám.
Hoci archea boli objavené ako samostatná skupina relatívne nedávno a ich pestovanie je v mnohých prípadoch stále náročné, kombinácia techník selektívneho šľachtenia, metagenomiky, masívneho sekvenovania a štrukturálnej biológie odhaľuje stále viac detailov o ich rozmanitosti a schopnostiach. Všetky náznaky naznačujú, že táto oblasť života, taká diskrétna, ako aj hojná, má stále čo prispieť k pochopeniu nášho pôvodu a k vývoju efektívnejších a udržateľnejších technológií.