¿Qué son las arqueas?

Las Archaea (Archaea o Archaea) son un tipo de bacteria muy especial que vive mayoritariamente en ambientes ecológicos extremos. Tiene algunas características de los procariotas, como la ausencia de membrana nuclear y de un sistema de endomembranas, también tiene características de los eucariotas, como la síntesis de proteínas a partir de metionina, los ribosomas no son sensibles al cloranfenicol y la ARN polimerasa no tiene interacción con los eucariotas; De manera similar, el ADN tiene intrones y se une a histonas, etc. Además, también tiene características diferentes a las de las células procarióticas y eucariotas, como: los lípidos de la membrana celular no están saponificados; la pared celular no contiene peptidoglicano, algunos son principalmente proteínas, algunos contienen heteropolisacáridos y otros sí. similar al peptidoglicano, pero ninguno contiene ácido murámico, D-aminoácido ni ácido diaminopimélico.

Historia

El concepto de arqueas fue propuesto por Carl Wuss y George Fox en 1977 porque se diferencian de otros procariotas en el árbol filogenético del 16SrRNA. Estos dos grupos de procariotas se definieron originalmente como Archaea y Eubacteria. Woese creía que eran dos organismos fundamentalmente diferentes, por lo que los renombró Archaea y Bacteria, que junto con los eucariotas formaron el sistema de los tres reinos de los seres vivos.

Arqueas, bacterias y eucariotas

Las arqueas están en muchos sentidos cerca de otros procariotas en términos de estructura celular y metabolismo. Entre los dos procesos centrales de la biología molecular, la transcripción genética no muestra claramente las características de las bacterias, pero está muy cerca de las de los eucariotas. Por ejemplo, la traducción de arqueas utiliza factores de iniciación y alargamiento en eucariotas, y el proceso de traducción requiere la proteína de unión a la caja TATA y TFIIB en eucariotas.

Las arqueobacterias también tienen algunas otras características. A diferencia de la mayoría de las bacterias, tienen una sola membrana celular y no tienen pared celular de peptidoglicano. Además, los lípidos de la mayoría de las membranas de las células bacterianas y eucariotas están compuestos principalmente de ésteres de glicerilo, mientras que los lípidos de la membrana de las arqueas están compuestos de éteres de glicerilo. Estas diferencias pueden ser adaptaciones a ambientes de temperaturas ultraaltas. La composición y el proceso de formación de los flagelos de las arqueas también son diferentes de los de las bacterias.

El árbol filogenético basado en secuencias de ARNr mostró tres ramas diferentes: bacterias, arqueas y eucariotas.

Entorno de vida

Muchas arqueas viven en ambientes extremos. Algunos viven a temperaturas extremadamente altas (normalmente superiores a 100 °C), como los géiseres o las fumarolas negras del fondo marino. Otros viven en ambientes muy fríos o en agua muy salada, muy ácida o muy alcalina. Sin embargo, algunas arqueas son neutras y se pueden encontrar en pantanos, aguas residuales y suelos. Muchas arqueas productoras de metano viven en el tracto digestivo de animales, como rumiantes, termitas o humanos. Las arqueas son generalmente inofensivas para otros organismos y se desconocen las arqueas patógenas.

Forma

El diámetro de una sola célula de arquea varía de 0,1 a 15 micras, y algunas especies forman grupos de células o fibras que pueden tener hasta 200 micras de longitud. Pueden tener diversas formas, como esferas, varillas, espirales, hojas o cuadrados. Tienen muchos tipos metabólicos. Vale la pena señalar que las halobacterias pueden usar la energía luminosa para producir ATP, aunque las arqueas no pueden usar la conducción de cadenas de electrones para lograr la fotosíntesis como otros organismos que usan energía luminosa.

Evolución y Clasificación

Del árbol filogenético del ARNr, Archaea se puede dividir en dos tipos, Cyperarchaeota y Euryarchaeota. Además, las dos especies no identificadas se componen de algunas muestras ambientales y de la especie exótica Nanoarchaeum equitans descubierta por Karl Stetter en 2002.

Woese cree que las bacterias, las arqueas y los eucariotas representan descendientes de un ancestro lejano con un mecanismo genético simple. Esta suposición se refleja en el nombre "archaea" ("archaea" en griego). Luego llamó formalmente a estas tres ramas los tres reinos, cada uno de los cuales consta de varios campos. Esta clasificación se hizo muy popular más tarde, pero la idea de organismos distantes no fue aceptada universalmente. Algunos biólogos creen que las arqueas y los eucariotas descienden de bacterias especializadas.

La relación entre Archaea y Eukaryotes sigue siendo una cuestión importante. Además de las similitudes mencionadas anteriormente, muchos otros árboles genéticos también combinan los dos. En algunos árboles, los eucariotas están más cerca de las arqueas que de las arqueas, pero la química de la biopelícula dice lo contrario. Sin embargo, se han encontrado genes similares a las arqueas en algunas bacterias, como el astrágalo, lo que complica estas relaciones.

Algunas personas creen que los eucariotas se originaron a partir de la fusión de arqueas y bacterias, que se convirtieron en núcleo y citoplasma respectivamente. Esto explica muchas similitudes genéticas, pero difícilmente explica la estructura celular.

Actualmente se han secuenciado 22 genomas de arqueas y otros 15 están en proceso.

Arqueas representativas

Bacterias termófilas: pueden crecer en ambientes de alta temperatura superiores a 90°C. Por ejemplo, la temperatura óptima de crecimiento de las arqueas descubiertas por científicos de la Universidad de Stanford es de 100 °C, y se volverán inactivas cuando sea inferior a 80 °C. Un grupo de arqueobacterias descubierto por el equipo de investigación alemán K. Stetter en el fondo marino italiano puede sobrevivir a altas temperaturas superiores a 110°C. La temperatura óptima de crecimiento es de 98°C y dejará de crecer cuando baje a 84°C. J. A. Baross, de Estados Unidos, descubrió que algunas bacterias aisladas de respiraderos volcánicos pueden sobrevivir a 250°C. Las bacterias termófilas tienen una amplia gama nutricional y la mayoría son bacterias heterótrofas, muchas de las cuales pueden oxidar azufre para obtener energía.

Organismos halófilos extremos: viven en ambientes de alta salinidad, alcanzando la salinidad el 25%, como el Mar Muerto y lagos salados.

Bacterias acidófilas: pueden sobrevivir en un ambiente con un pH inferior a 1, y suelen ser bacterias termófilas. Viven en agua caliente ácida en zonas volcánicas y pueden oxidar el azufre y secretar ácido sulfúrico como producto metabólico.

Extremadamente alcalifílicos: viven principalmente en lagos salino-alcalinos o lagos y estanques alcalinos. El valor del pH de su entorno de vida puede alcanzar más de 11,5, y el valor de pH óptimo es de 8 a 10.

Los metnanógenos son organismos estrictamente anaeróbicos que pueden utilizar CO2 para oxidar H2 para producir metano y liberar energía al mismo tiempo.

La energía del CO2+4h2 → CH4+2h2o+

Información complementaria

Dicotomía y teoría de los tres dominios

Cuántas especies hay hay en la tierra? Aristóteles utilizó una dicotomía para dividir los seres vivos en animales y plantas al establecer lecciones de biología. El nacimiento del microscopio permitió descubrir bacterias que eran invisibles a simple vista. La diferencia más fundamental en la estructura celular entre bacterias y animales y plantas es que las células animales y vegetales tienen núcleos, que almacenan principalmente el material genético (ADN), mientras que las bacterias no tienen núcleos y el ADN está libre en el citoplasma. Debido a que las diferencias entre animales y plantas son menores que las diferencias entre ellos y las bacterias, E. Chatton propuso en 1937 una nueva regla de dicotomía biológica, es decir, los organismos se dividen en eucariotas nucleados y procariotas no nucleados. Los animales y las plantas son eucariotas y las bacterias son procariotas.

Después de que Darwin publicara "El origen de las especies" en 1859, los biólogos comenzaron a establecer un sistema de clasificación basado en relaciones evolutivas en lugar de similitudes fenotípicas, llamado sistema de clasificación filogenético. Sin embargo, debido a la falta de registros fósiles, este método de clasificación no se ha aplicado eficazmente a la clasificación de procariotas durante mucho tiempo. Desde 65438 hasta 0970, con el desarrollo de la biología molecular, Wuss finalmente logró un gran avance en este campo.

En el largo proceso de evolución, las secuencias de moléculas de información (ácidos nucleicos y proteínas) en cada célula biológica están en constante mutación. La generación de cambios de secuencia de muchas moléculas de información es aleatoria en el tiempo y la tasa de evolución es relativamente constante, es decir, tiene características de reloj. Por lo tanto, la relación genética entre especies puede describirse cuantitativamente mediante las diferencias de secuencia en un gen característico del reloj que poseen o sus productos (como las proteínas). Estos genes o sus productos se convierten en cronometradores moleculares que registran la evolución biológica. Claramente, estos cronómetros moleculares que registran el desarrollo de filogenias biológicas deberían estar ampliamente distribuidos en todos los organismos. Basándose en esta consideración, Wuss eligió una molécula llamada ácido nucleico ribosómico de subunidad pequeña (ARNr SSU) como temporizador molecular. Esta molécula es un componente de los ribosomas, la maquinaria de síntesis de proteínas intracelulares, un aspecto importante de casi todas las actividades biológicas. Por lo tanto, es apropiado utilizar SSU rRNA como temporizador molecular.

Después de comparar la similitud de las secuencias de ARNr SSU de diferentes procariotas y eucariotas, Wuss descubrió que Methanococcus, que originalmente se consideraba una bacteria, representa una forma de vida diferente de los eucariotas y las bacterias. Considerando que el entorno de vida de Methanococcus puede ser similar al entorno natural de la Tierra cuando nació la vida, Wuss llamó a este organismo Archaea. Sobre esta base, Wuss propuso en 1977 que los organismos se pueden dividir en tres grupos: eucariotas, eubacterias y arqueas. Según los resultados del análisis de ARNr de SSU, nació un árbol panfilogenético.

Investigaciones posteriores demostraron que la primera bifurcación en el árbol evolutivo produjo una rama de eubacterias y una rama de arqueas/eucariotas. La bifurcación de arqueas y eucariotas ocurrió más tarde. En otras palabras, las Archaea están más cerca de los eucariotas que las Eubacterias.

Sobre esta base, en 1990, Wuss propuso la teoría de clasificación de tres dominios: los organismos se dividen en tres dominios: eucariotas, eubacterias y arqueas, con dominios definidos como unidades taxonómicas por encima del límite superior. Para resaltar la diferencia entre Archaea y Eubacteria, Wuss cambió el nombre de Archaea a Archaea. Las eubacterias pasaron a llamarse bacterias. La teoría de los tres dominios otorga a las arqueas el mismo estatus taxonómico que a los eucariotas y las bacterias.

Algunas personas se han opuesto a la teoría de los tres dominios de Wuss desde sus inicios, especialmente aquellos fuera del campo de la microbiología. Los oponentes insisten en que la distinción entre procariotas y eucariotas es la regla de clasificación más fundamental y evolucionada en biología; las diferencias entre arqueas y bacterias son mucho menos significativas que las de los eucariotas fenotípicamente ricos en la necesidad de cambiar la regla de dicotomía. Sin embargo, en los casi 20 años anteriores a la secuenciación del genoma de M. jannaschii, los estudios filogenéticos que utilizaron varios cronometradores moleculares demostraron repetidamente que las arqueas eran una forma de vida distinta.

La primera evidencia genómica de la teoría de los tres dominios

A pesar del conocimiento anterior sobre las arqueas, cuando las personas se enfrentaron por primera vez a la secuencia completa del genoma de Methanococcus jejuni, todavía se sintieron muy sorprendidos. ¡Methanococcus jejuni tiene 1738 genes, el 56% de los cuales nunca antes se habían visto! Por el contrario, sólo se desconoce alrededor del 20% de los genomas de Haemophilus influenzae y Mycoplasma genitalium. Entonces la gente finalmente se dio cuenta, a nivel del genoma, de que las arqueas son una forma de vida completamente nueva.

Más interesante aún, los genes con funciones más o menos conocidas representan el 44% del genoma total de Methanococcus jejuni, lo que parece delinear la relación evolutiva entre las arqueas y otros dos grupos de organismos: Archaea Similar a las bacterias en términos de productividad, división celular y metabolismo, pero similar a los eucariotas en términos de transcripción, traducción y replicación. En otras palabras, ¡un extraño microorganismo que vive en el fondo del océano tiene genes similares a los humanos (en lugar de las bacterias del tracto digestivo humano) en términos de transmisión de información genética! Si bien muchas personas admiraban las maravillas de la vida, también comenzaron a aplaudir el establecimiento final de la teoría de los tres dominios. Cuando la revista estadounidense Science incluyó la secuenciación del genoma de Methanococcus jannaschii como uno de los mayores avances científicos en 1996, afirmó que este logro casi había puesto fin al debate en torno a la teoría de los tres dominios.

Nuevos retos para el árbol evolutivo de Wusi

Justo cuando el suspenso sobre Archaea parecía desaparecer, se sucedieron nuevos descubrimientos y la gente volvió a confundirse. Una variedad de secuencias completas de genomas microbianos están apareciendo en bases de datos que pueden consultarse con un clic del ratón. Archaea representa 4 de las 18 secuencias del genoma biológico publicadas. Utilizando métodos más sensibles para analizar estos genomas (incluido el de Methanococcus jejuni), obtuvimos un resultado sorprendente: sólo el 30% (no más de la mitad de las estimaciones anteriores) de los genes en el genoma de Methanococcus jejuni codifican funciones actualmente desconocidas, lo cual es similar. a los genomas bacterianos. Así que el misterio y la singularidad de las arqueas se reducen mucho.

Lo que es aún más desfavorable para la teoría de los tres dominios es que el 44% de los productos genéticos (proteínas) de Methanococcus jannaschii con funciones putativas tienen las características de proteínas bacterianas, y sólo el 13% se parecen a las proteínas eucariotas. Una historia similar se aplica al genoma de otra arquea, Methanobacterium thermophila. Por lo tanto, la diferencia entre arqueas y bacterias es mucho menor que la diferencia entre arqueas y eucariotas, y no es suficiente para convencer a los oponentes de la teoría de los tres dominios.

Aún más difícil de entender es que el uso de diferentes genes en el mismo organismo para mapear la filogenia de la especie a menudo produce resultados diferentes. Recientemente se ha determinado la secuencia del genoma de una bacteria (Aquifex aeolicus) que puede crecer cerca del punto de ebullición. El estudio filogenético de varios genes de esta cepa mostró que si se utiliza como temporizador molecular FtsY, una proteína involucrada en la regulación de la división celular, esta cepa es similar a Bacillus subtilis, una bacteria del suelo ubicada en la rama bacteriana de la evolutiva Wusi. árbol si se utiliza FtsY, una proteína involucrada en la regulación de la división celular, como temporizador molecular tomando como estándar la enzima para la síntesis de aminoácidos, la bacteria debería pertenecer a Archaea; las unidades estructurales básicas del ADN) se comparó con las enzimas de otros organismos, se encontró que Archaea ya no formaba un grupo independiente. Parece que diferentes genes cuentan historias evolutivas diferentes.

Entonces, ¿podría Archaea ser una forma de vida única y unificada?

Después de completar la secuenciación del genoma del organismo eucariota Saccharomyces cerevisiae, la teoría de los tres dominios se encontró con una crisis mayor. Entre los genes nucleares de las levaduras, hay el doble de genes relacionados con bacterias que con genes relacionados con arqueas. Alguien también analizó 34 familias de proteínas presentes en las tres formas de vida y descubrió que 17 familias se originaron a partir de bacterias, y solo 8 familias mostraron la relación entre arqueas y eucariotas.

Si el árbol filogenético de Wu Si es correcto y la divergencia entre arqueas y eucariotas se produce más tarde que la divergencia entre estos y las bacterias, ¿cómo interpretamos estos resultados?

Según la hipótesis endógena popular en la investigación de la evolución celular, la producción de orgánulos eucariotas (mitocondrias y cloroplastos) se originó a partir de la relación endógena entre bacterias y procariotas en las primeras etapas de la evolución. En esta relación, la célula eucariota proporciona un microambiente estable, mientras que el endosimbionte (bacteria) proporciona energía. Con el tiempo, los endosimbiontes evolucionaron hasta convertirse en orgánulos. Algunos genes de bacterias en el núcleo eucariota pueden originarse en las mitocondrias. Estos genes generalmente codifican moléculas de proteínas que se transportan de regreso a las mitocondrias. Sin embargo, ahora se ha descubierto que muchos de los genes nucleares bacterianos codifican proteínas que funcionan en el citoplasma en lugar de en las mitocondrias. Entonces, ¿de dónde vienen estos genes? Obviamente, la hipótesis endógena no es suficiente para salvar el árbol evolutivo de Wu Si.

Sin embargo, el árbol evolutivo de Wu Si no caerá fácilmente y todavía existen muchas hipótesis que lo respaldan. Recientemente se ha propuesto una nueva versión de la hipótesis de la "transferencia horizontal de genes". Según esta hipótesis, la composición heterocigótica del genoma resulta de la transferencia de genes entre diferentes linajes durante la evolución. Un organismo puede tragar genes de otro organismo que puede estar muy lejos. Wuss especuló que antes de que los ancestros evolucionaran en tres linajes: bacterias, arqueas y eucariotas, vivían en una "comunidad" donde los genes podían intercambiarse entre sí. Los organismos de esta "comuna prehistórica" ​​pueden haber adquirido una herencia genética diferente. Esto dificulta la distinción de ramas del árbol evolutivo. Pero Wuss cree que el árbol filogenético basado en el ARNr de SSU es generalmente correcto y que hay tres formas de vida.

La polémica continúa

La publicación de la secuencia del genoma de Methanococcus jejuni hace tres años pareció presagiar un debate que dura más de 20 años sobre cuántas formas de vida hay en la Tierra. tierra. Archaea parece ser considerada una tercera forma de vida. Ahora, sólo tres años después, ni siquiera las personas más optimistas podrían haber predicho el destino del árbol evolutivo de Worcester. En este debate en curso, aunque se ha cuestionado el estatus taxonómico de las arqueas, la singularidad de las arqueas como forma de vida todavía se afirma en diversos grados.

Actualmente, la investigación sobre arqueas se está intensificando en todo el mundo, no sólo porque las arqueas contienen procesos y funciones biológicas mucho más desconocidas que los otros dos organismos, sino también porque las arqueas tienen perspectivas inconmensurables para el desarrollo de la biotecnología. Archaea sorprende a la gente una y otra vez, y es seguro que en los próximos años, este grupo único de organismos seguirá mostrando a la gente los infinitos misterios de la vida.