Zanimljive činjenice o arhejama: raznolikost, funkcije i iznenađujuće primjene

  • Arheje formiraju vlastitu domenu, različitu od bakterija i eukariota, s jedinstvenim membranama, staničnim stijenkama i genetskim aparatom.
  • Iznimno su raznoliki i sveprisutni, u rasponu od ekstremofila visokih temperatura i slanosti do uobičajenih članova ljudske mikrobiote i oceanskog planktona.
  • Njegov svestrani metabolizam uključuje metanogenezu, oksidaciju amonijaka, korištenje anorganskih spojeva i fototrofiju temeljenu na rodopsinu bez proizvodnje kisika.
  • Arhejski ekstremozimi pokreću industrijske, medicinske i ekološke primjene, od PCR-a i bioplina do rudarstva i hrane obrađene na visokim temperaturama.
AmandaAžurirano dana

15 minuta

Zanimljive činjenice o arhejama

Planet Zemlja je zasad jedino mjesto u svemiru gdje se fluorescencija života može postići zbog klimatskih varijabli koje se konvergiraju u našem staništu; u biti, tekuća voda, prikladne temperature i odgovarajuće kemijske reakcije omogućile su formiranje i evoluciju organizama koji preživljavaju sintetizirajući energiju iz molekula ugljika i kisika.

Ljudska bića dio su ove posade koja djeluje u svijetu, kao i različite vrste koje obično možemo opažati, međutim, postoji mnogo organizama koji su izvan pogleda i koji na isti način imaju temeljnu ulogu u ravnoteži života ; ta živa bića Zovu se mikroorganizmiZbog svoje sitne veličine i osnovnog organskog sastava, ova elementarna organizacija njegovog tjelesnog sustava omogućila mu je uspješno razmnožavanje i proliferaciju.

arheje i drugi mikroorganizmi

Arheje i njihovo mjesto u drvetu života

Mikrobiologija je znanost koja je odgovorna za proučavanje tih mikroorganizama i njihovo klasificiranje prema određenim aspektima koji ih razlikuju, uspostavljajući tako notornu razlika između višećelijskih i jednoćelijskih organizamaGovoreći o višećelijskim organizmima, otkrivamo da su to životni oblici koji su, iako mikroskopski, sastavljeni od nekoliko stanica koje na određeni način strukturiraju svoje osnovne sustave interakcije.

Dok se jednostanični organizmi oslanjaju na jednu stanicu za obavljanje svih svojih procesa, to uključuje organizme koji pripadaju domeni ili carstvu Archaea, koji su se nekoć miješali s bakterijama zbog svojih strukturnih sličnosti. Ti mikroorganizmi su jednoćelijski prokarioti Nemaju definiranu jezgru niti unutarnje membranom vezane organele, ali ih njihova biokemija i genetika razlikuju od bakterija.

Kada su identificirane kao zasebna skupina, nazvane su arhebakterijama i uključene u bivše carstvo Monera. Međutim, analize ribosomske RNA i cijelog genoma pokazale su da arheje imaju neovisna evolucijska povijest i jedinstvene molekularne značajke, zbog čega su sada prepoznate kao jedna od tri glavne domene života: arheje, bakterije i eukarije.

Iako ste možda čuli za ova neobična živa bića, u ovom ćemo vam članku pokazati Stvari koje vjerojatno niste znali o carstvu Arheja i to će vas sigurno iznenaditi, integrirajući ono što se zna o njihovoj biologiji, raznolikosti, ekološkoj ulozi i utjecaju na tehnologiju.

Opsežna moderna klasifikacija i taksonomija arheja

Carstvo ili domena Arheja posjeduje opsežna i još uvijek promjenjiva interna klasifikacijaZa razliku od drugih skupina živih organizama, većina vrsta arheja poznata je samo putem analize njihovih nukleinskih kiselina u uzorcima iz okoliša, budući da je njihovo kultiviranje u laboratoriju često složeno. To znači da se sistematika arheja stalno revidira.

Trenutno je unutar Arheja prepoznato nekoliko glavnih loza. Mnogi autori raspravljaju četiri velika kraljevstva ili supergrupe glavne temeljene na molekularnoj filogeniji:

  • Metanobakteriota (ranije Euryarchaeota): okuplja najveći broj poznatih arheja, uključujući većinu metanogene arheje koji proizvode metan, mnoge ekstremne halofile i nekoliko termoacidofilnih skupina.
  • Termoproteot (također poznata kao TACK skupina): uključuje klase kao što su Nitrososphaeria, Korarchaeia i Thermoproteia, s brojnim termofili i hipertermofili, acidofili i organizmi uključeni u oksidaciju amonijaka.
  • Promethearchaeota ili AsgardFascinantna supergrupa koja sadrži arheje vrlo blisko povezane s eukariotima, s genima i proteinima koji podsjećaju na stanice s jezgrom, a koje bi mogle predstavljati predačka loza složenog života.
  • Nanobdellati (često identificirana kao DPANN skupina): formirana od arheja ultramali, mnogi od njih acidofilni ili hipertermofilni, s vrlo reduciranim genomima poput Nanoarchaeum equitans.

Unutar ovih supergrupa predloženo je više kandidatskih koljena, kao što su Bathyarchaeia, Hydrothermarchaeota i Lokiarchaeia, pri čemu svaka grupira loze s vrlo specifičnim ekološkim i fiziološkim osobinama. Ukupan broj predloženih arhealnih koljena prelazi deset, a samo je dio njih detaljno kultiviran i proučen. Prava raznolikost arheja ostaje uglavnom nepoznata.

Arheje, zajedno s bakterijama, poznate su kao najbrojnija skupina živih organizama na planetu, koja obuhvaća populaciju od trilijuna jedinki koje se neprestano razmnožavaju svaki dan. Njihova jednoćelijska struktura, koja upravlja njihovim životnim ciklusom, znači da njegovo razmnožavanje je vrlo učinkovit proces a koje ćemo kasnije detaljnije objasniti.

Jedinstvene stanične karakteristike koje ih razlikuju od bakterija

Arheje i bakterije su prilično slične veličine i oblika, iako arheje mogu pokazivati vrlo neobične morfologijeod klasičnih sfera i šipki do spljoštenih i kvadratnih oblika poput Haloquadratum walsbyi, niti većih od 200 mikrona ili kolonija povezanih šupljim cijevima (kanilama) kao u rodu Pyrodictium.

Unatoč ovoj vizualnoj sličnosti s bakterijama, arheje posjeduju gene i nekoliko metaboličkih putova. bliže onima eukariotaposebno u enzimima uključenim u transkripciju i translaciju. Nadalje, pokazuju jedinstvene biokemijske značajke:

  • Membrana plazme s lipidima vezanim za glicerol pomoću eterske veze i repove formirane razgranatim izoprenoidnim lancima. To im daje mnogo veću otpornost na visoke temperature, ekstremni pH i organska otapala.
  • Stanična stijenka bez tipičnog bakterijskog peptidoglikana. Mnoge arheje posjeduju pseudopeptidoglikan, specifične glikoproteine ​​ili polisaharide koji djeluju kao zaštitni S-sloj.
  • Ribosomi tipa 70S poput bakterija, ali s ribosomskim proteinima i transkripcijskim faktorima vrlo bliskim onima eukariota, što pojačava evolucijski odnos između arheja i eukarya.
  • Arhejski flagela strukturno se razlikuju od bakterijskih, sličniji su pilusima tipa IV, sastavljeni od baze, a ne od vrha.

Vrlo nedavno otkriće čak je pokazalo da su određene arheje sposobne formirati strukturu sličnu jezgricaTo se donedavno smatralo isključivo eukariotskim stanicama. To otvara nova pitanja o tome kako je ekspresija gena bila organizirana kod predaka složenog života.

Naseljavaju sve okoliše: od ekstremofila do mezofila

Kada se smatralo da su arheje dio bakterija, također se smatralo da ti organizmi mogu živjeti samo u ekstremnim i vrlo specifičnim staništima; međutim, sada je poznato da vrste koje pripadaju carstvu arheja mogu biti prisutne u vrlo raznolikom rasponu okruženja bez ikakvih problema.

Što se tiče temperatura koje ova živa bića mogu podnijeti, one ponekad variraju između iznad 100°C i ispod -30°CTakođer je izvanredno da mogu preživjeti i normalno komunicirati u slanim okruženjima gdje nijedan drugi mikroorganizam ne bi mogao napredovati. Procjenjuje se da bi mogli biti prisutni u više od 30% planeta u smislu rasprostranjenosti u okolišu, što odražava njihovu prilagodljivost i brojnost.

Ekstremofilne arheje se često grupiraju u četiri glavne vrste prema svom staništu:

  • HalofilanŽive u okruženjima s visokom koncentracijom soli, poput slanih jezera ili slanih ravnica, gdje ih ima više od bakterija iznad određenih razina slanosti.
  • Termofili i hipertermofiliUspiju na temperaturama iznad 45°C, pa čak i iznad 80°C, u termalnim izvorima, hidrotermalnim izvorima i naftnim bušotinama.
  • Acidofili i alkalifiliMogu rasti pri izuzetno niskim pH vrijednostima, blizu 0, ili vrlo visokim, iskorištavajući posebnu kemiju svog okoliša.
  • PsihrofiliŽive u vrlo hladnim okruženjima poput polarnih mora, morskog leda ili dubokih sedimenata, sintetizirajući enzime aktivne na niskim temperaturama.

Međutim, mnoge arheje su mezofilne i nastanjuju umjerene uvjete: tla, umjerene oceane, močvare, sedimente i crijeva ljudi i drugih životinjaU morskom planktonu, određene arheje iz skupine Nitrososphaeria mogu činiti do 40% mikrobne biomase, aktivno sudjelujući u ciklusu dušika.

Zahvaljujući tome nevjerojatna izdržljivost To je ono što je omogućilo ovom kraljevstvu da napreduje od samog početka Zemljine atmosfere, prije nekih 2.500 milijarde godina, i što je uvelike utjecalo na evolucijske procese planeta i njegovih vrsta. Ista ta otpornost potaknula je nagađanja o mogućem postojanju sličnih mikroorganizama na drugim planetima ili mjesecima s ekstremnim uvjetima.

ekstremofilne arheje

Svestran metabolizam: prerađuju više resursa od drugih mikroba

Za razliku od mnogih drugih mikroorganizama, oni koji pripadaju carstvu Archaea mogu preraditi veća raznolikost hranjivih tvari i sirovina koji se nalaze u različitim okruženjima. Među njima možemo spomenuti: spojeve dušika, ugljika i sumpora; čak imaju procese poput glikolize (u vlastitim varijacijama) za dobivanje energije koja jamči njihove životne cikluse.

Na temelju načina prehrane, arheje mogu biti:

  • LitotrofiEnergiju dobivaju iz anorganskih spojeva poput amonijaka, vodika, sumpora ili željeza, igrajući ključnu ulogu u biogeokemijskim ciklusima.
  • OrganotrofiKao izvor ugljika i energije koriste organske spojeve (šećere, organske kiseline, alkohole).
  • Fototrofi Klasična nefotosintetska: neke haloarheje koriste pigmente poput bakteriorodopsina za iskorištavanje sunčeve svjetlosti i stvaranje ATP-a bez oslobađanja kisika.

Neke vrste mogu koristiti sunčevu svjetlost kao izvor energije bez stvaranja kisika kao u fotosintetskim procesima, što je jedinstvena kvaliteta unutar živih bića ovog planetaTo ne uključuje one koji su metanogeni, odnosno one koji stvaraju metan pod vrlo specifičnim okolnostima, uključujući ljudsko crijevo, zbog čega se vjeruje da igraju temeljnu ulogu u probavnom procesu i u proizvodnji plinova.

Las metanogene arheje Koriste ugljikov dioksid, vodik, acetat ili druge jednostavne spojeve kao akceptore elektrona u anaerobnim uvjetima, proizvodeći metan kao nusprodukt. Ovaj proces je neophodan u močvarama, sedimentima, digestorima otpadnih voda i buragima preživača, ali također čini ove arheje značajnim igračima unutar staklenički plinovi.

Druge arheje fiksiraju ugljik putem alternativnih putova Calvinovom ciklusu, kao što je 3-hidroksipropionat/4-hidroksibutiratni ciklus ili acetil-CoA redukcijski put. U ciklusu dušika, mnoge arheje u tlu i oceanima oksidiraju amonijak, oslobađajući nitrite koje druge bakterije zatim pretvaraju u nitrate koje biljke mogu koristiti.

Nespolno razmnožavanje i prijenos gena

Vrste koje pripadaju carstvu Arheja razmnožavaju se isključivo nespolno, procesima kao što su binarna fisija, višestruka fisija, pupanje ili fragmentacija. Najčešći mehanizam je binarna fisijakoji se sastoji od dupliciranja jedne stanice kloniranjem njezinog genetskog materijala i stvaranjem individualne citoplazme za smještaj novog genetskog materijala; osnova ovog oblika reprodukcije je replikacija DNK, što omogućuje organizmu da dobije gotovo identičnu kopiju sebe.

Važno je uzeti u obzir da je ovaj oblik razmnožavanja prisutan i kod bakterija i drugih jednoćelijskih organizama koji čine, i činili su, osnovu lanca interakcije između živih bića na ovom planetu. Kod arheja roda Sulfolobus, uočeno je da replikacija kromosoma započinje na više mjesta porijekla i koristi DNA polimeraze slične onima kod eukariota, dok proteini koji usmjeravaju diobu stanica više podsjećaju na bakterijske.

Iako nisu opisani endospore Poput određenih bakterija, neke haloarheje mogu formirati stanice zadebljanih stijenki koje su otpornije na osmotske ili promjene slanosti, što im omogućuje preživljavanje nepovoljnih uvjeta i kolonizaciju novih staništa.

Osim klonskog razmnožavanja, arheje mogu razmjenjivati ​​genetski materijal putem specifični plazmidi i virusiOtkriveni su virusi s vrlo raznolikom morfologijom, uključujući oblike boca, kukaste štapiće i strukture suza, za razliku od bilo kojeg drugog poznatog virusa, posebno kod termofilnih arheja poput onih iz reda Sulfolobales. Mnoge arheje posjeduju obrambene sustave temeljene na ponovljenim sekvencama i RNK (slično CRISPR-Cas sustavu), koji im omogućuju prepoznavanje i neutraliziranje invazijske DNK.

Odnos s ljudima: mikrobiota i odsutnost jasnih patogena

U početku se smatralo da arheje nisu relevantne za ljudsko zdravlje jer su uglavnom bile poznate iz ekstremnih okruženja. Međutim, danas znamo da su stabilan dio ljudska mikrobiota u raznim nišama:

  • CrijevoVrste poput Methanobrevibacter smithii vrlo su brojne u debelom crijevu i mogu predstavljati važnu frakciju crijevnih prokariota, sudjelujući u probavi polisaharida i u proizvodnji metana.
  • ustaMethanobrevibacter oralis otkriven je u zubnom plaku i parodontnim džepovima, gdje bi mogao poticati anaerobno okruženje konzumiranjem vodika.
  • Koža, dišni put i mokraćni sustavMetagenomske studije su identificirale arhejske sekvence na tim lokacijama, iako u manjim količinama i još uvijek s nejasnim funkcijama.

Nema poznatih jasnih primjera obligatno patogenih arheja za ljude ili druge životinje, ali neki su predloženi. neizravne asocijacije između obilja metanogena i poremećaja poput kronične konstipacije, sindroma iritabilnog crijeva s pretežito konstipacijom, uznapredovale parodontalne bolesti ili određenih slučajeva crijevne disbioze.

U većini slučajeva, arheje se čine mutualisti ili komenzaliU crijevima ljudi i preživača troše vodik koji proizvode drugi fermentativni mikrobi, što im omogućuje dobivanje više energije razgradnjom celuloze ili drugih složenih ugljikohidrata. Kod nekih termita, arheje čak žive unutar specijaliziranih organela (hidrogenosoma) simbiotskih protozoa, dovršavajući složeni krug izmjene metabolita.

Koriste se u mnogim industrijama i u naprednoj biotehnologiji.

Za proizvodnju određenih industrijskih proizvoda za ljudsku prehranu, posebno mliječnih proizvoda i njihovih derivata, dobro je poznata upotreba bakterija i mikroorganizama kao katalizatora i aktivatora kemijskih reakcija. Te reakcije daju tim proizvodima, poput sireva, sirutke i jogurta, njihovu karakterističnu konzistenciju, okus, trajnost i teksturu; međutim, postoje proizvodni lanci koji zahtijevaju visoke temperature Za ostvarenje određenih karakteristika, većina bakterija ne može izdržati te vrlo vruće uvjete, ustupajući mjesto arhejama koje mogu izdržati više od 100 ºC i razviti promjene potrebne u tim namirnicama za postizanje učinkovite kvalitete.

Enzimi termofilnih i hipertermofilnih arheja (ponekad nazvani ekstremozimiIznimno su toplinski stabilni i obično otporni na denaturirajuća sredstva, deterdžente, organska otapala i ekstremne pH vrijednosti. To ih čini neprocjenjivim za razne industrije:

  • Industrija hraneAmilaze, galaktozidaze i pululanaze iz vrsta kao što je Pyrococcus furiosus funkcioniraju na visokim temperaturama, omogućujući preradu mlijeka s niskim udjelom laktoze, sirutke i drugih proizvoda bez gubitka enzimske aktivnosti.
  • Molekularna biologijaTermostabilne DNA polimeraze dobivene iz arheja revolucionirale su lančanu reakciju polimeraze (PCR) podnoseći ponovljene cikluse denaturacije, žarenja i ekstenzije bez degradacije.
  • Industrija deterdženata, tekstila, papira i kožeEnzimi i surfaktanti otporni na visoke temperature koriste se za poboljšanje učinkovitosti pranja, obrade vlakana te prerade papira i kože.
  • Proizvodnja bioplina i obrada vodeMetanogene arheje su fundamentalne u anaerobnim digestorima, gdje pretvaraju organski otpad u metan koji se može koristiti kao obnovljivi izvor energije.
  • rudarstvoU rudarstvu se koriste mnoge arheje koje učinkovito surađuju u kemijskim reakcijama potrebnim za dobivanje minerala poput zlata, kobalta i bakra, olakšavajući procese bioispiranja koji su ekološki prihvatljiviji.

U medicini je postignut značajan napredak zahvaljujući carstvu arheja, budući da su na temelju tih organizama proizvedeni neki antibiotici, što je pomoglo mnogim ljudima koji su... alergični na tradicionalne antibiotikeNadalje, identificirani su spojevi arhejskog podrijetla sa strukturama vrlo različitim od onih bakterijskih antibiotika, što otvara vrata novim mehanizmima djelovanja protiv rezistentnih patogena.

Manje od jedan posto postojećih mikroorganizama detaljno je proučeno, pa se procjenjuje da milijuni arheja tek trebaju biti otkriveni, posebno u ekstremnim okruženjima: oceanskom dnu, zonama visokog tlaka, ekstremnim kemijskim gradijentima ili nišama koje su malo uzorkovane. Svaka novo identificirana loza predstavlja potencijalni izvor novi enzimi, različiti antibiotici i jedinstveni metabolički putevi s biotehnološkim potencijalom.

Velika bioraznolikost ekstremofilnih mikroorganizama i njihova sposobnost sinteze aktivnih proteina u ekstremnim uvjetima otvorila je obećavajuće područje u biotehnologiji, budući da se mnogi industrijski procesi odvijaju u ekstremnim uvjetima temperature, tlaka, ionske jakosti, pH vrijednosti i prisutnosti organskih otapala. Nadalje, ovi enzimi mogu se koristiti kao modeli za dizajniranje prilagođenih proteina putem genetskog inženjeringa, prilagođenog specifičnim primjenama.

Iako su arheje otkrivene kao zasebna skupina relativno nedavno i njihov uzgoj u mnogim slučajevima ostaje izazovan, kombinacija tehnika selektivnog uzgoja, metagenomike, masovnog sekvenciranja i strukturne biologije otkriva sve više detalja o njihovoj raznolikosti i mogućnostima. Svi pokazatelji upućuju na to da ovo područje života, koliko god diskretno koliko i obilno, još uvijek može mnogo doprinijeti razumijevanju našeg podrijetla i razvoju učinkovitijih i održivijih tehnologija.