Fakta menarik tentang arkea: kepelbagaian, fungsi dan aplikasi yang mengejutkan

Planet Bumi setakat ini merupakan satu-satunya tempat di alam semesta di mana pendarfluor kehidupan dapat dicapai disebabkan oleh pembolehubah iklim yang berkumpul di habitat kita; pada asasnya, air cecair, suhu yang sesuai, dan tindak balas kimia yang sesuai telah membolehkan pembentukan dan evolusi organisma yang hidup dengan mensintesis tenaga daripada molekul karbon dan oksigen.

Manusia adalah sebahagian daripada kru ini yang berinteraksi di dunia, serta spesies yang berbeza yang dapat kita amati, namun ada banyak organisma yang tidak dapat dilihat dan dengan cara yang sama mempunyai peranan mendasar dalam keseimbangan hidup ; makhluk hidup ini Mereka dipanggil mikroorganismaDisebabkan saiznya yang kecil dan komposisi organik asas, organisasi asas sistem badannya ini telah membolehkan pembiakan dan percambahannya yang berjaya.

Archaea dan tempatnya di pokok kehidupan

Mikrobiologi adalah sains yang bertanggungjawab untuk mengkaji mikroorganisma ini dan mengklasifikasikannya mengikut aspek-aspek tertentu yang membezakannya, sehingga membentuk sebuah terkenal perbezaan antara organisma multisel dan uniselBercakap tentang organisma multisel, kita dapati bahawa ia adalah bentuk kehidupan yang, walaupun mikroskopik, terdiri daripada beberapa sel yang menstrukturkan sistem interaksi asasnya dengan cara tertentu.

Walaupun organisma unisel bergantung pada sel tunggal untuk menjalankan semua prosesnya, ini termasuk organisma yang tergolong dalam domain atau kerajaan Archaea, yang pernah dikelirukan dengan bakteria kerana persamaan strukturnya. Mikroorganisma ini prokariot uniselular Mereka tidak mempunyai nukleus yang jelas atau organel dalaman yang terikat pada membran, tetapi biokimia dan genetik mereka membezakannya daripada bakteria.

Apabila mereka dikenal pasti sebagai kumpulan yang berbeza, mereka dipanggil archaebacteria dan termasuk dalam bekas kerajaan Monera. Walau bagaimanapun, analisis RNA ribosom dan seluruh genom menunjukkan bahawa archaea mempunyai sejarah evolusi bebas dan ciri-ciri molekul yang unik, itulah sebabnya ia kini diiktiraf sebagai salah satu daripada tiga domain utama kehidupan: Archaea, Bakteria dan Eukarya.

Walaupun anda mungkin pernah mendengar tentang makhluk hidup yang aneh ini, dalam artikel ini kami akan menunjukkan kepada anda Perkara yang mungkin anda tidak tahu tentang kerajaan Archaea dan itu pasti akan mengejutkan anda, menggabungkan apa yang diketahui tentang biologi mereka, kepelbagaian mereka, peranan ekologi mereka dan impak mereka terhadap teknologi.

Pengelasan moden yang meluas dan taksonomi arkea

Kerajaan atau domain Archaea mempunyai pengelasan dalaman yang meluas dan masih berubahTidak seperti kumpulan organisma hidup yang lain, kebanyakan spesies arkea hanya diketahui melalui analisis asid nukleiknya dalam sampel persekitaran, kerana pengkulturannya di makmal selalunya rumit. Ini bermakna sistematika arkea sentiasa disemak semula.

Beberapa keturunan utama kini diiktiraf dalam Archaea. Ramai penulis membincangkan empat kerajaan besar atau superkumpulan yang utama berdasarkan filogeni molekul:

• Methanobacteriota (dahulunya Euryarchaeota): mengumpulkan bilangan terbesar arkea yang diketahui, termasuk kebanyakan arkea metanogenik yang menghasilkan metana, banyak halofil ekstrem dan beberapa kumpulan termoasidofil.
• Termoproteot (juga dikenali sebagai kumpulan TACK): merangkumi kelas seperti Nitrososphaeria, Korarchaeia, dan Thermoproteia, dengan pelbagai termofil dan hipertermofil, asidofil dan organisma yang terlibat dalam pengoksidaan ammonium.
• Promethearchaeota atau AsgardSatu kumpulan super yang menarik yang mengandungi arkea yang sangat berkait rapat dengan eukariota, dengan gen dan protein yang mengingatkan sel dengan nukleus, dan yang boleh mewakili keturunan leluhur kehidupan yang kompleks.
• Nanobdellati (sering dikenal pasti sebagai kumpulan DPANN): dibentuk oleh arkea ultra-kecil, kebanyakannya asidofilik atau hipertermofilik, dengan genom yang sangat berkurangan seperti Nanoarchaeum equitans.

Dalam superkumpulan ini, pelbagai calon filum dicadangkan, seperti Bathyarchaeia, Hydrothermarchaeota, dan Lokiarchaeia, setiap satu mengelompokkan keturunan dengan ciri-ciri ekologi dan fisiologi yang sangat spesifik. Jumlah keseluruhan filum arkea yang dicadangkan melebihi sepuluh, dan hanya sebahagian daripadanya telah diusahakan dan dikaji secara terperinci, oleh itu Kepelbagaian sebenar arkea masih tidak diketahui umum.

Arkea, bersama bakteria, dikenali sebagai kumpulan organisma hidup yang paling banyak di planet ini, yang terdiri daripada populasi bertrilion individu yang membiak tanpa henti setiap hari. Struktur uniselular mereka, yang mengawal kitaran hidup mereka, bermakna bahawa pembiakannya adalah proses yang sangat berkesan dan yang akan kami huraikan secara terperinci kemudian.

Ciri-ciri selular unik yang membezakannya daripada bakteria

Arkea dan bakteria agak serupa dari segi saiz dan bentuk, walaupun arkaea mungkin mempamerkan morfologi yang sangat luar biasadaripada sfera dan bar klasik kepada bentuk leper dan segi empat sama seperti Haloquadratum walsbyi, filamen lebih daripada 200 mikron atau koloni yang dihubungkan oleh tiub berongga (kanula) seperti dalam genus Pyrodictium.

Walaupun terdapat persamaan visual dengan bakteria, arkea mempunyai gen dan beberapa laluan metabolik. lebih dekat dengan eukariotaterutamanya dalam enzim yang terlibat dalam transkripsi dan terjemahan. Tambahan pula, ia mempamerkan ciri-ciri biokimia yang unik:

• Membran plasma dengan lipid yang terikat pada gliserol oleh ikatan eter dan ekor yang dibentuk oleh rantai isoprenoid bercabang. Ini memberikan mereka rintangan yang jauh lebih tinggi terhadap suhu tinggi, pH yang melampau dan pelarut organik.
• Dinding sel tanpa peptidoglikan bakteria tipikal. Banyak arkea mempunyai pseudopeptidoglikan, glikoprotein tertentu atau polisakarida yang bertindak sebagai lapisan-S pelindung.
• Ribosom jenis 70S seperti bakteria, tetapi dengan protein ribosom dan faktor transkripsi yang sangat hampir dengan eukariota, yang mengukuhkan hubungan evolusi antara Archaea dan Eukarya.
• Flagella Arkea berbeza dari segi struktur daripada pili bakteria, lebih serupa dengan pili jenis IV, dipasang dari pangkal dan bukan dari hujungnya.

Satu penemuan yang sangat baru-baru ini telah menunjukkan bahawa arkea tertentu mampu membentuk struktur yang serupa dengan nukleolusIni adalah sesuatu yang sehingga baru-baru ini dianggap eksklusif untuk sel eukariotik. Ini membuka persoalan baharu tentang bagaimana ekspresi gen disusun dalam nenek moyang kehidupan yang kompleks.

Mereka mendiami semua persekitaran: daripada ekstremofil hingga mesofil

Apabila arkea dianggap sebagai sebahagian daripada bakteria, ia juga dianggap bahawa organisma ini hanya boleh hidup di habitat yang ekstrem dan sangat spesifik; walau bagaimanapun, kini diketahui bahawa spesies yang tergolong dalam kerajaan Archaea boleh hadir dalam pelbagai persekitaran yang sangat pelbagai tanpa sebarang masalah.

Berkenaan suhu yang boleh ditahan oleh makhluk hidup ini, kadangkala ia berbeza antara melebihi 100°C dan di bawah -30°CIa juga luar biasa bahawa mereka boleh hidup dan berinteraksi secara normal dalam persekitaran masin di mana mana-mana mikroorganisma lain tidak dapat berkembang maju. Dianggarkan bahawa mereka mungkin terdapat di lebih daripada 30% planet ini dari segi taburan persekitaran, mencerminkan kebolehsuaian dan kelimpahan mereka.

Arkea ekstremofil sering dikumpulkan kepada empat jenis utama mengikut habitatnya:

• HalofilMereka hidup dalam persekitaran dengan kepekatan garam yang tinggi, seperti tasik garam atau dataran garam, di mana jumlah bakteria melebihi paras kemasinan tertentu.
• Termofil dan hipertermofilMereka tumbuh subur pada suhu melebihi 45°C dan juga melebihi 80°C, di mata air panas, lubang hidroterma dan telaga minyak.
• Asidofil dan alkalifilMereka boleh tumbuh pada tahap pH yang sangat rendah, hampir dengan 0, atau tahap yang sangat tinggi, memanfaatkan kimia tertentu persekitaran mereka.
• PsikrofilMereka hidup dalam persekitaran yang sangat sejuk seperti laut kutub, ais laut atau sedimen yang dalam, mensintesis enzim yang aktif pada suhu rendah.

Walau bagaimanapun, banyak arkea adalah mesofilik dan mendiami keadaan sederhana: tanah, lautan sederhana, paya, sedimen, dan usus manusia dan haiwan lainDalam plankton marin, arkea tertentu daripada kumpulan Nitrososphaeria boleh membentuk sehingga 40% daripada biojisim mikrob, yang secara aktif mengambil bahagian dalam kitaran nitrogen.

Terima kasih kepada ini stamina yang luar biasa Inilah yang membolehkan kerajaan ini berkembang maju sejak awal atmosfera Bumi, kira-kira 2.500 bilion tahun yang lalu, dan apa yang telah banyak mempengaruhi proses evolusi planet dan spesiesnya. Daya tahan yang sama ini telah mendorong spekulasi tentang kemungkinan kewujudan mikroorganisma serupa di planet atau bulan lain dengan keadaan yang ekstrem.

Metabolisme serba boleh: ia memproses lebih banyak sumber berbanding mikrob lain

Tidak seperti kebanyakan mikroorganisma lain, mikroorganisma yang tergolong dalam kerajaan Archaea boleh memproses kepelbagaian nutrien dan bahan mentah yang lebih besar yang terdapat dalam pelbagai persekitaran. Antaranya kita boleh sebutkan: sebatian nitrogen, karbon dan sulfur; ia juga mempunyai proses seperti glikolisis (dalam variasi mereka sendiri) untuk mendapatkan tenaga yang menjamin kitaran hayat mereka.

Berdasarkan jenis pemakanan mereka, arkea boleh:

• LitotrofMereka memperoleh tenaga daripada sebatian bukan organik seperti ammonia, hidrogen, sulfur atau besi, yang memainkan peranan penting dalam kitaran biogeokimia.
• OrganotrofMereka menggunakan sebatian organik (gula, asid organik, alkohol) sebagai sumber karbon dan tenaga.
• Fototrof Bukan fotosintetik klasik: sesetengah haloarchaea menggunakan pigmen seperti bakterohodopsin untuk memanfaatkan cahaya matahari dan menghasilkan ATP tanpa melepaskan oksigen.

Sesetengah spesies boleh menggunakan cahaya matahari sebagai sumber tenaga tanpa menghasilkan oksigen seperti dalam proses fotosintesis, satu kualiti unik dalam makhluk hidup di planet iniIni tidak termasuk yang bersifat metanogenik, iaitu, yang menghasilkan gas metana dalam keadaan yang sangat spesifik, termasuk usus manusia, oleh sebab itu ia dipercayai memainkan peranan penting dalam proses pencernaan dan dalam penghasilan gas.

yang arkea metanogenik Mereka menggunakan karbon dioksida, hidrogen, asetat atau sebatian ringkas lain sebagai penerima elektron di bawah keadaan anaerobik, menghasilkan metana sebagai hasil sampingan. Proses ini penting dalam paya, sedimen, pencerna air sisa dan rumen ruminan, tetapi ia juga menjadikan arkea ini pemain penting dalam gas rumah hijau.

Arkea lain mengikat karbon melalui laluan alternatif kepada kitaran Calvin, seperti kitaran 3-hidroksipropionat/4-hidroksibutirat atau laluan reduktif asetil-KoA. Dalam kitaran nitrogen, banyak arkea dalam tanah dan lautan mengoksidakan ammonia, melepaskan nitrit yang kemudiannya ditukar oleh bakteria lain menjadi nitrat yang boleh digunakan oleh tumbuhan.

Pembiakan aseksual dan pemindahan genetik

Spesies yang tergolong dalam kerajaan Archaea membiak secara eksklusif secara aseksual, melalui proses seperti pembelahan binari, pembelahan berganda, tunas atau pemecahan. Mekanisme yang paling biasa ialah pembelahan binariyang terdiri daripada penduaan sel tunggal dengan mengklonkan bahan genetiknya dan mencipta sitoplasma individu untuk menempatkan bahan genetik baharu; asas bentuk pembiakan ini ialah replikasi DNA, yang membolehkan organisma memperoleh salinan dirinya yang hampir sama.

Adalah penting untuk dipertimbangkan bahawa bentuk pembiakan ini juga terdapat dalam bakteria dan organisma uniselular lain yang membentuk, dan telah membentuk, asas rantai interaksi antara makhluk hidup di planet ini. Dalam arkea genus Sulfolobus, replikasi kromosom telah diperhatikan bermula pada pelbagai asal dan menggunakan polimerase DNA yang serupa dengan eukariota, manakala protein yang mengarahkan pembahagian sel lebih mengingatkan pada bakteria.

Walaupun mereka belum dihuraikan endospora Seperti bakteria tertentu, sesetengah haloarchaea boleh membentuk sel berdinding tebal yang lebih tahan terhadap perubahan osmotik atau kemasinan, membolehkannya bertahan dalam keadaan yang tidak baik dan menjajah habitat baharu.

Selain pembiakan klonal, arkea boleh bertukar bahan genetik melalui plasmid dan virus tertentuVirus dengan morfologi yang sangat pelbagai telah dikesan, termasuk bentuk botol, rod bercangkuk, dan struktur titisan air mata yang tidak seperti virus lain yang diketahui, terutamanya dalam arkea termofilik seperti yang terdapat dalam ordo Sulfolobales. Banyak arkea mempunyai sistem pertahanan berdasarkan urutan berulang dan RNA (serupa dengan sistem CRISPR-Cas), yang membolehkannya mengenali dan meneutralkan DNA yang menyerang.

Hubungan dengan manusia: mikrobiota dan ketiadaan patogen yang jelas

Pada mulanya, arkea dianggap tidak relevan kepada kesihatan manusia kerana ia kebanyakannya diketahui dari persekitaran yang ekstrem. Walau bagaimanapun, hari ini kita tahu bahawa ia adalah bahagian yang stabil dalam mikrobiota manusia dalam pelbagai niche:

• UsusSpesies seperti Methanobrevibacter smithii sangat banyak terdapat di usus besar dan mungkin mewakili sebahagian besar prokariot usus, yang terlibat dalam pencernaan polisakarida dan penghasilan metana.
• MulutMethanobrevibacter oralis telah dikesan dalam plak gigi dan poket periodontal, di mana ia boleh menggalakkan persekitaran anaerobik dengan mengambil hidrogen.
• Kulit, saluran pernafasan, dan sistem kencingKajian metagenomik telah mengenal pasti jujukan arkea di lokasi-lokasi ini, walaupun dalam kuantiti yang lebih kecil dan masih dengan fungsi yang tidak jelas.

Tiada contoh jelas arkea patogen obligat yang diketahui untuk manusia atau haiwan lain, tetapi ada yang telah dicadangkan. perkaitan tidak langsung antara kelimpahan metanogen dan gangguan seperti sembelit kronik, sindrom usus rengsa dengan dominasi sembelit, penyakit periodontal peringkat lanjut atau kes-kes tertentu disbiosis usus.

Dalam kebanyakan kes, arkea kelihatan mutualis atau komensalDalam usus manusia dan ruminan, mereka menggunakan hidrogen yang dihasilkan oleh mikrob fermentatif lain, membolehkan mereka memperoleh lebih banyak tenaga daripada penguraian selulosa atau karbohidrat kompleks lain. Dalam sesetengah anai-anai, arkea juga hidup dalam organel khusus (hidrogenosom) protozoa simbiotik, melengkapkan litar pertukaran metabolit yang kompleks.

Ia digunakan dalam pelbagai industri dan dalam bioteknologi canggih.

Bagi pengeluaran produk perindustrian tertentu untuk kegunaan manusia, terutamanya produk tenusu dan derivatifnya, penggunaan bakteria dan mikroorganisma sebagai pemangkin dan pengaktif tindak balas kimia adalah diketahui umum. Tindak balas ini memberikan produk ini, seperti keju, whey dan yogurt, konsistensi, rasa, ketahanan dan tekstur yang tersendiri; walau bagaimanapun, terdapat rantaian pengeluaran yang memerlukan suhu tinggi Untuk merealisasikan ciri-ciri tertentu, kebanyakan bakteria tidak dapat menahan keadaan yang sangat panas ini, memberi laluan kepada arkea yang dapat menahan lebih daripada 100 ºC dan mengembangkan perubahan yang diperlukan dalam makanan ini untuk mencapai kualiti yang berkesan.

Enzim arkea termofilik dan hipertermofilik (kadangkala dipanggil ekstremizimIa sangat stabil terhadap haba dan biasanya tahan terhadap agen penyahpenyahosan, detergen, pelarut organik dan tahap pH yang melampau. Ini menjadikannya sangat berharga untuk pelbagai industri:

• Industria alimentariaAmilase, galaktosidase dan pullulanase daripada spesies seperti Pyrococcus furiosus berfungsi pada suhu tinggi, membolehkan pemprosesan susu rendah laktosa, whey dan produk lain tanpa kehilangan aktiviti enzimatik.
• Biologi molekulPolimerase DNA termostabil yang diperoleh daripada arkea telah merevolusikan tindak balas rantai polimerase (PCR), dengan menahan kitaran denaturasi, penyepuhlindapan dan pemanjangan berulang tanpa terdegradasi.
• Industri detergen, tekstil, kertas dan kulitEnzim dan surfaktan tahan suhu tinggi digunakan untuk meningkatkan kecekapan pencucian, rawatan gentian dan pemprosesan kertas dan kulit.
• Pengeluaran biogas dan rawatan airArkea metanogenik adalah asas dalam penghadaman anaerobik, di mana ia menukar sisa organik menjadi metana yang boleh digunakan sebagai sumber tenaga boleh diperbaharui.
• PerlombonganDalam perlombongan, banyak arkea digunakan yang bekerjasama secara berkesan dalam tindak balas kimia yang diperlukan untuk mendapatkan mineral seperti emas, kobalt dan kuprum, memudahkan proses bioleaching yang lebih mesra alam.

Dalam bidang perubatan, kemajuan yang besar telah dicapai melalui kerajaan Archaea, kerana beberapa antibiotik telah dihasilkan berdasarkan organisma ini, membantu ramai orang yang alah kepada antibiotik tradisionalTambahan pula, sebatian yang berasal dari arkeologi dengan struktur yang sangat berbeza daripada antibiotik bakteria telah dikenal pasti, membuka pintu kepada mekanisme tindakan baharu terhadap patogen yang tahan.

Kurang daripada satu peratus mikroorganisma sedia ada telah dikaji secara terperinci, jadi dianggarkan berjuta-juta arkea masih belum ditemui, terutamanya dalam persekitaran yang ekstrem: dasar lautan, zon tekanan tinggi, kecerunan kimia yang ekstrem, atau niche yang hanya sedikit disampel. Setiap keturunan yang baru dikenal pasti mewakili sumber yang berpotensi enzim baharu, antibiotik yang berbeza dan laluan metabolik yang unik dengan potensi bioteknologi.

Kepelbagaian biodiversiti yang hebat di kalangan mikroorganisma ekstremofil dan keupayaannya untuk mensintesis protein aktif di bawah keadaan yang ekstrem telah membuka bidang yang menjanjikan dalam bioteknologi, memandangkan banyak proses perindustrian berlaku di bawah keadaan suhu, tekanan, kekuatan ionik, pH dan kehadiran pelarut organik yang ekstrem. Tambahan pula, enzim ini boleh digunakan sebagai model untuk mereka bentuk protein buatan khas melalui kejuruteraan genetik, disesuaikan dengan aplikasi tertentu.

Walaupun arkea ditemui sebagai kumpulan yang berasingan agak baru-baru ini dan penanamannya masih mencabar dalam banyak kes, gabungan teknik pembiakan selektif, metagenomik, penjujukan besar-besaran dan biologi struktur mendedahkan butiran yang semakin meningkat tentang kepelbagaian dan keupayaannya. Semua petunjuk menunjukkan bahawa domain kehidupan ini, walaupun tersembunyi dan banyak, masih banyak menyumbang kepada pemahaman asal usul kita dan membangunkan teknologi yang lebih cekap dan mampan.