Interessante feiten over archaea: diversiteit, functies en verrassende toepassingen

De planeet Aarde is tot nu toe de enige plek in het universum waar leven mogelijk is dankzij de klimatologische omstandigheden die in onze leefomgeving samenkomen; in essentie hebben vloeibaar water, geschikte temperaturen en de juiste chemische reacties de vorming en evolutie mogelijk gemaakt van organismen die overleven door energie te synthetiseren uit koolstof- en zuurstofmoleculen.

Mensen maken deel uit van deze bemanning die in wisselwerking staat met de wereld, evenals de verschillende soorten die we gewoonlijk kunnen observeren, maar er zijn veel organismen die uit het zicht zijn en die op dezelfde manier een fundamentele rol spelen in de balans van het leven. ; deze levende wezens Ze worden micro-organismen genoemd.Door zijn geringe omvang en eenvoudige organische samenstelling heeft deze elementaire organisatie van zijn lichaamssysteem succesvolle voortplanting en vermenigvuldiging mogelijk gemaakt.

Archaea en hun plaats in de levensboom

Microbiologie is de wetenschap die verantwoordelijk is voor de studie van deze micro-organismen en ze classificeert volgens bepaalde aspecten die ze onderscheiden, waardoor een beruchte verschil tussen meercellige en eencellige organismenAls we het over meercellige organismen hebben, dan zien we dat dit levensvormen zijn die, hoewel microscopisch klein, zijn opgebouwd uit verschillende cellen die hun basissystemen voor interactie op een bepaalde manier structureren.

Hoewel eencellige organismen afhankelijk zijn van één enkele cel om al hun processen uit te voeren, behoren organismen uit het domein of rijk Archaea hier ook toe. Deze werden vroeger verward met bacteriën vanwege hun structurele overeenkomsten. Deze micro-organismen zijn eencellige prokaryoten Ze hebben geen duidelijk gedefinieerde celkern of interne, door membranen omgeven organellen, maar hun biochemie en genetica onderscheiden ze van bacteriën.

Toen ze als een aparte groep werden geïdentificeerd, werden ze archaea genoemd en opgenomen in het voormalige rijk Monera. Analyses van ribosomaal RNA en het volledige genoom toonden echter aan dat archaea een onafhankelijke evolutionaire geschiedenis en unieke moleculaire kenmerken, waardoor ze nu worden erkend als een van de drie belangrijkste domeinen van het leven: Archaea, Bacteria en Eukarya.

Hoewel je misschien wel eens van deze bijzondere levende wezens hebt gehoord, laten we je in dit artikel zien hoe ze eruitzien. Dingen die je waarschijnlijk nog niet wist over het koninkrijk Archaea En dat zal je zeker verrassen, door alles wat we weten over hun biologie, hun diversiteit, hun ecologische rol en hun impact op technologie te integreren.

Uitgebreide moderne classificatie en taxonomie van archaea

Het rijk of domein Archaea bezit een uitgebreide en nog steeds veranderende interne classificatieIn tegenstelling tot andere groepen levende organismen, zijn de meeste archaea-soorten alleen bekend door de analyse van hun nucleïnezuren in milieumonsters, omdat het kweken ervan in het laboratorium vaak complex is. Dit betekent dat de systematiek van archaea voortdurend wordt herzien.

Binnen de Archaea worden momenteel verschillende belangrijke afstammingslijnen erkend. Veel auteurs bespreken deze. vier grote koninkrijken of supergroepen belangrijkste op basis van moleculaire fylogenie:

• Methanobacteriota (voorheen Euryarchaeota): groepeert het grootste aantal bekende archaea, waaronder de meeste methanogene archaea die methaan produceren, veel extreme halofielen en verschillende thermoacidofiele groepen.
• Thermoproteota (ook bekend als de TACK-groep): omvat klassen zoals Nitrososphaeria, Korarchaeia en Thermoproteia, met talrijke thermofielen en hyperthermofielen, acidofielen en organismen die betrokken zijn bij de oxidatie van ammonium.
• Prometheathaeota of AsgardEen fascinerende supergroep die archaea bevat die zeer nauw verwant zijn aan eukaryoten, met genen en eiwitten die doen denken aan cellen met een celkern, en die mogelijk een representatie vormen van... de voorouderlijke lijn van complex leven.
• Nanobdellati (vaak aangeduid als DPANN-groep): gevormd door archaea ultrakleinwaarvan vele acidofiel of hyperthermofiel zijn, met zeer gereduceerde genomen zoals Nanoarchaeum equitans.

Binnen deze supergroepen worden meerdere kandidaat-stammen voorgesteld, zoals Bathyarchaeia, Hydrothermarchaeota en Lokiarchaeia, die elk lijnen groeperen met zeer specifieke ecologische en fysiologische kenmerken. Het totale aantal voorgestelde archaeale stammen bedraagt ​​meer dan tien, en slechts een deel daarvan is gekweekt en in detail bestudeerd. De werkelijke diversiteit van archaea is nog grotendeels onbekend..

Archaea vormen, samen met bacteriën, de meest talrijke groep levende organismen op aarde, met een populatie van triljoenen individuen die zich elke dag onophoudelijk voortplanten. Hun eencellige structuur, die hun levenscyclus bepaalt, betekent dat de reproductie ervan is een zeer effectief proces en die we later in detail zullen toelichten.

Unieke celkenmerken die hen onderscheiden van bacteriën.

Archaea en bacteriën lijken qua grootte en vorm erg op elkaar, hoewel archaea soms wel verschillen kunnen vertonen. zeer ongebruikelijke morfologieënVan klassieke bollen en staven tot afgeplatte en vierkante vormen zoals Haloquadratum walsbyi, filamenten van meer dan 200 micron of kolonies verbonden door holle buisjes (canules) zoals in het geslacht Pyrodictium.

Ondanks deze visuele gelijkenis met bacteriën, bezitten archaea genen en verschillende metabolische processen. dichter bij die van eukaryotenmet name in de enzymen die betrokken zijn bij transcriptie en translatie. Bovendien vertonen ze unieke biochemische eigenschappen:

• Plasmamembraan met lipiden die aan glycerol zijn gehecht door etherbindingen en staarten gevormd door vertakte isoprenoïde ketens. Dit geeft ze een veel hogere weerstand tegen hoge temperaturen, extreme pH-waarden en organische oplosmiddelen.
• Celwand zonder het typische bacteriële peptidoglycaan. Veel archaea bezitten pseudopeptidoglycaan, specifieke glycoproteïnen of polysacchariden die fungeren als een beschermende S-laag.
• Ribosomen van het 70S-type zoals die van bacteriën, maar met ribosomale eiwitten en transcriptiefactoren die sterk lijken op die van eukaryoten, wat de evolutionaire verwantschap tussen Archaea en Eukarya versterkt.
• Archeïsche flagellen Structureel verschillend van bacteriële pili, meer vergelijkbaar met type IV pili, opgebouwd vanuit de basis en niet vanuit de punt.

Een zeer recente ontdekking heeft zelfs aangetoond dat bepaalde archaea in staat zijn een structuur te vormen die lijkt op een kernDit werd tot voor kort beschouwd als iets dat exclusief was voor eukaryotische cellen. Dit roept nieuwe vragen op over hoe genexpressie georganiseerd was in de voorouders van complex leven.

Ze komen in alle omgevingen voor: van extremofielen tot mesofielen.

Toen men dacht dat archaea tot de bacteriën behoorden, werd ook aangenomen dat deze organismen alleen in extreme en zeer specifieke habitats konden leven; nu is echter bekend dat soorten die tot het rijk van de Archaea behoren, zonder problemen in een zeer uiteenlopende reeks omgevingen kunnen voorkomen.

Wat betreft de temperaturen die deze levende wezens kunnen verdragen, die variëren soms tussen boven 100°C en onder -30°CHet is ook opmerkelijk dat ze kunnen overleven en normaal kunnen functioneren in zoutrijke omgevingen waar geen enkel ander micro-organisme zou kunnen gedijen. Naar schatting zijn ze in meer dan 30% van de wereld te vinden, wat hun aanpassingsvermogen en grote aantallen weerspiegelt.

Extremofiele archaea worden vaak in vier hoofdtypen ingedeeld op basis van hun leefomgeving:

• HalofielZe leven in omgevingen met hoge zoutconcentraties, zoals zoutmeren of zoutvlakten, waar ze boven bepaalde zoutgehaltes in de meerderheid zijn ten opzichte van bacteriën.
• Thermofielen en hyperthermofielenZe gedijen goed bij temperaturen boven de 45 °C en zelfs boven de 80 °C, in warmwaterbronnen, hydrothermale bronnen en olieputten.
• Zuurminnende en alkalifiele bacteriënZe kunnen groeien bij extreem lage pH-waarden, dicht bij 0, of bij zeer hoge waarden, waarbij ze profiteren van de specifieke chemische samenstelling van hun omgeving.
• PsychrofielenZe leven in zeer koude omgevingen zoals poolzeeën, zeeijs of diepe sedimenten, waar ze enzymen synthetiseren die actief zijn bij lage temperaturen.

Veel archaea zijn echter mesofiel en leven in gematigde omstandigheden: bodems, gematigde oceanen, moerassen, sedimenten en de darmen van mensen en andere dierenIn marien plankton kunnen bepaalde archaea van de Nitrososphaeria-groep tot wel 40% van de microbiële biomassa uitmaken en actief deelnemen aan de stikstofkringloop.

Bedankt hiervoor ongelooflijk uithoudingsvermogen Dit is wat dit rijk in staat stelde te floreren vanaf het allereerste begin van de aardatmosfeer, zo'n 2.500 miljard jaar geleden, en wat de evolutionaire processen van de planeet en haar soorten sterk heeft beïnvloed. Dezezelfde veerkracht heeft geleid tot speculaties over het mogelijke bestaan ​​van soortgelijke micro-organismen op andere planeten of manen met extreme omstandigheden.

Veelzijdig metabolisme: ze verwerken meer voedingsstoffen dan andere microben.

In tegenstelling tot veel andere micro-organismen kunnen die van het Archaea-rijk een proces uitvoeren. grotere diversiteit aan voedingsstoffen en grondstoffen die in diverse omgevingen voorkomen. Daaronder vallen stikstof-, koolstof- en zwavelverbindingen; ze beschikken zelfs over processen zoals glycolyse (in hun eigen varianten) om energie te verkrijgen die hun levenscyclus garandeert.

Op basis van hun voedingswijze kunnen archaea worden onderverdeeld in:

• LithotrofenZe verkrijgen energie uit anorganische verbindingen zoals ammoniak, waterstof, zwavel of ijzer en spelen een sleutelrol in biogeochemische cycli.
• OrganotrofenZe gebruiken organische verbindingen (suikers, organische zuren, alcoholen) als koolstof- en energiebron.
• Fototrofen Klassieke niet-fotosynthetische soorten: sommige haloarchaea gebruiken pigmenten zoals bacteriorhodopsine om zonlicht op te vangen en ATP te genereren zonder zuurstof vrij te geven.

Sommige soorten kunnen zonlicht als energiebron gebruiken zonder zuurstof te produceren, zoals bij fotosynthese, een unieke eigenschap. in de levende wezens van deze planeetDit omvat niet de methanogene bacteriën, dat wil zeggen bacteriën die onder zeer specifieke omstandigheden methaangas produceren, waaronder de menselijke darm. Daarom wordt aangenomen dat ze een fundamentele rol spelen in het spijsverteringsproces en de gasproductie.

De methanogene archaea Ze gebruiken koolstofdioxide, waterstof, acetaat of andere eenvoudige verbindingen als elektronenacceptoren onder anaerobe omstandigheden, waarbij methaan als bijproduct ontstaat. Dit proces is essentieel in moerassen, sedimenten, afvalwatervergisters en de pens van herkauwers, maar het maakt deze archaea ook tot belangrijke spelers binnen de broeikasgassen.

Andere archaea binden koolstof via alternatieve routes naast de Calvin-cyclus, zoals de 3-hydroxypropionaat/4-hydroxybutyraat-cyclus of de acetyl-CoA-reductieroute. In de stikstofcyclus oxideren veel archaea in bodems en oceanen ammoniak, waarbij nitrieten vrijkomen die vervolgens door andere bacteriën worden omgezet in nitraten die door planten kunnen worden gebruikt.

Aseksuele voortplanting en genetische overdracht

Soorten die tot het rijk Archaea behoren, planten zich uitsluitend ongeslachtelijk voort, via processen zoals binaire deling, meervoudige deling, knopvorming of fragmentatie. Het meest voorkomende mechanisme is binaire delingDit houdt in dat een enkele cel wordt gedupliceerd door het genetisch materiaal ervan te klonen en een individueel cytoplasma te creëren om het nieuwe genetisch materiaal te huisvesten; de basis van deze vorm van voortplanting is DNA-replicatie, waardoor het organisme een vrijwel identieke kopie van zichzelf kan verkrijgen.

Het is belangrijk te bedenken dat deze vorm van voortplanting ook voorkomt bij bacteriën en andere eencellige organismen die de basis vormen en hebben gevormd van de interactieketen tussen levende wezens op deze planeet. Bij archaea van het geslacht Sulfolobus is waargenomen dat chromosoomreplicatie begint bij meerdere oorsprongen en gebruikmaakt van DNA-polymerasen die vergelijkbaar zijn met die van eukaryoten, terwijl de eiwitten die de celdeling aansturen meer lijken op die van bacteriën.

Hoewel ze niet beschreven zijn endosporen Net als bepaalde bacteriën kunnen sommige haloarchaea cellen met verdikte wanden vormen die beter bestand zijn tegen osmotische veranderingen of veranderingen in zoutgehalte, waardoor ze ongunstige omstandigheden kunnen overleven en nieuwe leefomgevingen kunnen koloniseren.

Naast klonale voortplanting kunnen archaea genetisch materiaal uitwisselen via specifieke plasmiden en virussenEr zijn virussen met zeer uiteenlopende morfologieën ontdekt, waaronder flesvormige, haakvormige en traanvormige structuren die anders zijn dan die van enig ander bekend virus, met name bij thermofiele archaea zoals die van de orde Sulfolobales. Veel archaea bezitten afweersystemen gebaseerd op herhaalde sequenties en RNA (vergelijkbaar met het CRISPR-Cas-systeem), waarmee ze binnendringend DNA kunnen herkennen en neutraliseren.

Relatie met mensen: microbiota en afwezigheid van duidelijke ziekteverwekkers

Aanvankelijk werd gedacht dat archaea irrelevant waren voor de menselijke gezondheid, omdat ze voornamelijk bekend waren uit extreme omgevingen. Tegenwoordig weten we echter dat ze een stabiel onderdeel van het ecosysteem vormen. menselijke microbiota in diverse niches:

• darmenSoorten zoals Methanobrevibacter smithii komen zeer veel voor in de dikke darm en vormen mogelijk een belangrijk deel van de darmprokaryoten, die deelnemen aan de vertering van polysacchariden en de productie van methaan.
• BocaMethanobrevibacter oralis is aangetroffen in tandplak en parodontale pockets, waar het anaërobe omgevingen kan bevorderen door waterstof te verbruiken.
• Huid, luchtwegen en urinewegenMetagenomische studies hebben archaeale sequenties op deze locaties geïdentificeerd, zij het in kleinere hoeveelheden en met nog onduidelijke functies.

Er zijn geen duidelijke voorbeelden bekend van obligaat pathogene archaea voor mensen of andere dieren, maar er zijn er wel een paar voorgesteld. indirecte verbanden Er bestaat een verband tussen de overvloed aan methanogenen en aandoeningen zoals chronische constipatie, prikkelbaredarmsyndroom met constipatie als belangrijkste symptoom, gevorderde parodontitis of bepaalde gevallen van darmdysbiose.

In de meeste gevallen lijken archaea te zijn mutualisten of commensalenIn de darmen van mensen en herkauwers consumeren ze waterstof dat geproduceerd wordt door andere fermenterende microben, waardoor ze meer energie kunnen verkrijgen uit de afbraak van cellulose of andere complexe koolhydraten. Bij sommige termieten leven archaea zelfs in gespecialiseerde organellen (hydrogenosomen) van symbiotische protozoa, waarmee ze een complex circuit van metabolietenuitwisseling voltooien.

Ze worden in veel industrieën en in geavanceerde biotechnologie gebruikt.

Voor de productie van bepaalde industriële producten voor menselijke consumptie, met name zuivelproducten en zuivelderivaten, is het gebruik van bacteriën en micro-organismen als katalysatoren en activatoren van chemische reacties algemeen bekend. Deze reacties geven producten zoals kaas, wei en yoghurt hun karakteristieke consistentie, smaak, houdbaarheid en textuur; er zijn echter productieketens die vereisen dat bacteriën en micro-organismen actief zijn. hoge temperaturen Voor het verkrijgen van bepaalde eigenschappen kunnen de meeste bacteriën deze zeer hoge temperaturen niet verdragen. Daarom zijn archaea, die temperaturen van meer dan 100 °C aankunnen, in staat de nodige veranderingen in deze voedingsmiddelen teweeg te brengen om een ​​effectieve kwaliteit te bereiken.

De enzymen van thermofiele en hyperthermofiele archaea (soms genoemd extremozymenZe zijn extreem hittebestendig en doorgaans bestand tegen denaturerende stoffen, detergenten, organische oplosmiddelen en extreme pH-waarden. Dit maakt ze van onschatbare waarde voor diverse industrieën:

• VoedselindustrieAmylasen, galactosidasen en pullulanasen van soorten zoals Pyrococcus furiosus functioneren bij hoge temperaturen, waardoor de verwerking van lactosearme melk, wei en andere producten mogelijk is zonder verlies van enzymatische activiteit.
• Moleculaire biologieThermostabiele DNA-polymerasen afkomstig van archaea hebben een revolutie teweeggebracht in de polymerasekettingreactie (PCR), doordat ze herhaalde cycli van denaturatie, annealing en extensie kunnen doorstaan ​​zonder te degraderen.
• Wasmiddel-, textiel-, papier- en leerindustrieHittebestendige enzymen en oppervlakteactieve stoffen worden gebruikt om de wasefficiëntie, vezelbehandeling en papier- en leerverwerking te verbeteren.
• Biogasproductie en waterzuiveringMethanogene archaea zijn essentieel in anaerobe vergisters, waar ze organisch afval omzetten in methaan dat kan worden gebruikt als hernieuwbare energiebron.
• mijnbouwIn de mijnbouw worden veel archaea gebruikt die effectief samenwerken in de chemische reacties die nodig zijn om mineralen zoals goud, kobalt en koper te winnen, waardoor bioleachingprocessen mogelijk worden die milieuvriendelijker zijn.

In de geneeskunde zijn aanzienlijke vooruitgangen geboekt dankzij het rijk van de Archaea. Zo zijn er bijvoorbeeld antibiotica ontwikkeld op basis van deze organismen, wat veel mensen helpt die ziek zijn. allergisch voor traditionele antibioticaBovendien zijn verbindingen van archaeale oorsprong geïdentificeerd met structuren die sterk verschillen van die van bacteriële antibiotica, wat de weg opent naar nieuwe werkingsmechanismen tegen resistente ziekteverwekkers.

Minder dan één procent van de bestaande micro-organismen is in detail bestudeerd, waardoor wordt geschat dat er nog miljoenen archaea ontdekt moeten worden, met name in extreme omgevingen: oceaanbodems, hogedrukgebieden, extreme chemische gradiënten of niches die nog nauwelijks onderzocht zijn. Elke nieuw geïdentificeerde lijn vertegenwoordigt een potentiële bron van nieuwe enzymen, verschillende antibiotica en unieke metabolische routes met biotechnologisch potentieel.

De grote biodiversiteit onder extremofiele micro-organismen en hun vermogen om actieve eiwitten te synthetiseren onder extreme omstandigheden heeft een veelbelovend onderzoeksgebied in de biotechnologie geopend. Veel industriële processen vinden immers plaats onder extreme omstandigheden wat betreft temperatuur, druk, ionsterkte, pH en de aanwezigheid van organische oplosmiddelen. Bovendien kunnen deze enzymen worden gebruikt als modellen voor het ontwerpen van op maat gemaakte eiwitten Door middel van genetische manipulatie aangepast aan specifieke toepassingen.

Hoewel archaea relatief recent als een aparte groep zijn ontdekt en hun kweek in veel gevallen nog steeds een uitdaging vormt, onthult de combinatie van selectieve kweektechnieken, metagenomica, grootschalige sequentiebepaling en structurele biologie steeds meer details over hun diversiteit en mogelijkheden. Alles wijst erop dat dit domein van het leven, dat even discreet als overvloedig is, nog veel kan bijdragen aan het begrijpen van onze oorsprong en aan de ontwikkeling van efficiëntere en duurzamere technologieën.