На данный момент планета Земля — единственное место во Вселенной, где возможно проявление жизни благодаря климатическим условиям, которые совпадают с условиями нашей среды обитания; по сути, жидкая вода, подходящие температуры и соответствующие химические реакции позволили сформироваться и эволюционировать организмам, которые выживают, синтезируя энергию из молекул углерода и кислорода.
Люди являются частью этой команды, которая взаимодействует в мире, а также различных видов, которые мы обычно можем наблюдать, однако есть много организмов, которые находятся вне поля зрения и таким же образом играют фундаментальную роль в балансе жизни. ; эти живые существа Их называют микроорганизмами.Благодаря своим крошечным размерам и простому органическому составу, такая элементарная организация его организма позволила ему успешно размножаться и распространяться.
Археи и их место на древе жизни
Микробиология - это наука, которая отвечает за изучение этих микроорганизмов и их классификацию в соответствии с определенными аспектами, которые их различают, тем самым устанавливая печально известный Разница между многоклеточными и одноклеточными организмамиГоворя о многоклеточных организмах, мы обнаруживаем, что это формы жизни, которые, несмотря на свой микроскопический размер, состоят из нескольких клеток, которые определенным образом структурируют свои основные системы взаимодействия.
В то время как одноклеточные организмы полагаются на одну клетку для выполнения всех своих процессов, к ним относятся организмы, принадлежащие к домену или царству архей, которые когда-то ошибочно принимались за бактерии из-за структурного сходства. Эти микроорганизмы представляют собой одноклеточные прокариоты У них нет выраженного ядра или внутренних мембранных органелл, но их биохимические и генетические особенности отличают их от бактерий.
Когда их выделили в отдельную группу, их назвали архебактериями и включили в бывшее царство Monera. Однако анализ рибосомальной РНК и полногеномный анализ показали, что археи обладают независимая эволюционная история и обладают уникальными молекулярными особенностями, благодаря которым они теперь признаны одним из трех основных доменов жизни: археи, бактерии и эукариоты.
Хотя вы, возможно, уже слышали об этих необычных живых существах, в этой статье мы покажем вам... Факты, которые вы, вероятно, не знали о царстве Археи. И это вас непременно удивит, учитывая все знания об их биологии, разнообразии, экологической роли и влиянии на технологии.
Обширная современная классификация и таксономия архей.
Царство или область Археи обладает обширная и постоянно меняющаяся внутренняя классификацияВ отличие от других групп живых организмов, большинство видов архей известны только по анализу их нуклеиновых кислот в образцах окружающей среды, поскольку их культивирование в лаборатории часто представляет собой сложный процесс. Это означает, что систематика архей постоянно пересматривается.
В настоящее время в пределах архей выделяют несколько основных линий. Многие авторы обсуждают... четыре великих царства или супергруппы Основные из них, основанные на молекулярной филогении:
- Метанобактерии (ранее Euryarchaeota): объединяет наибольшее количество известных архей, включая большинство из них. метаногенные археи которые производят метан, множество экстремальных галофилов и несколько термоацидофильных групп.
- Термопротеота (также известная как группа TACK): включает такие классы, как Nitrososphaeria, Korarchaeia и Thermoproteia, с многочисленными термофилы и гипертермофилыацидофилы и организмы, участвующие в окислении аммония.
- Прометеархеоты или АсгардУвлекательная супергруппа, включающая археи, очень близкородственные эукариотам, с генами и белками, напоминающими клетки с ядром, и которая может представлять собой родословная сложной жизни.
- Нанобеллати (часто обозначаются как группа DPANN): образованы археями сверхмалыйМногие из них ацидофильны или гипертермофильны, с очень редуцированными геномами, например, Nanoarchaeum equitans.
Внутри этих супергрупп предложено множество кандидатских филумов, таких как Bathyarchaeia, Hydrothermarchaeota и Lokiarchaeia, каждый из которых объединяет линии со специфическими экологическими и физиологическими признаками. Общее число предложенных филумов архей превышает десять, и лишь часть из них была культивирована и изучена подробно, поэтому Истинное разнообразие архей до сих пор остается в значительной степени неизвестным..
Археи, наряду с бактериями, известны как самая многочисленная группа живых организмов на планете, насчитывающая триллионы особей, которые непрерывно размножаются каждый день. Их одноклеточная структура, определяющая их жизненный цикл, означает, что его воспроизводство - высокоэффективный процесс и о чем мы подробно расскажем позже.
Уникальные клеточные характеристики, отличающие их от бактерий.
Археи и бактерии довольно похожи по размеру и форме, хотя археи могут проявлять некоторые особенности. очень необычные морфологические особенностиОт классических сфер и стержней до уплощенных и квадратных форм, как у Haloquadratum walsbyi, нитей толщиной более 200 микрон или колоний, соединенных полыми трубками (канюлями), как у рода Pyrodictium.
Несмотря на внешнее сходство с бактериями, археи обладают генами и несколькими метаболическими путями. ближе к эукариотамособенно это касается ферментов, участвующих в транскрипции и трансляции. Кроме того, они обладают уникальными биохимическими особенностями:
- Плазматическая мембрана с липидами, прикрепленными к глицерину посредством эфирные связи и хвостами, образованными разветвленными изопреноидными цепями. Это обеспечивает им гораздо более высокую устойчивость к высоким температурам, экстремальным значениям pH и органическим растворителям.
- Клеточная стенка В отличие от типичного бактериального пептидогликана, многие археи обладают псевдопептидогликаном, специфическими гликопротеинами или полисахаридами, которые действуют как защитный S-слой.
- Рибосомы Рибосомные рибосомы типа 70S, подобные бактериальным, но с рибосомными белками и факторами транскрипции, очень близкими к таковым у эукариот, что подтверждает эволюционную связь между археями и эукариотами.
- Архейские жгутики По своей структуре они отличаются от бактериальных, больше похожи на пили типа IV, собираются от основания, а не от кончика.
Недавнее открытие показало, что некоторые археи способны образовывать структуру, подобную... ядрышкоДо недавнего времени это считалось исключительной особенностью эукариотических клеток. Это поднимает новые вопросы о том, как была организована экспрессия генов у предков сложных форм жизни.
Они обитают во всех средах: от экстремофилов до мезофилов.
Когда археи считались частью бактерий, также полагалось, что эти организмы могут жить только в экстремальных и очень специфических условиях; однако теперь известно, что виды, принадлежащие к царству архей, могут без проблем существовать в самых разнообразных средах.
Что касается температур, которые могут выдерживать эти живые существа, то они иногда варьируются в пределах... выше 100°C и ниже -30°CПримечательно также, что они способны выживать и нормально взаимодействовать в соленой среде, где любые другие микроорганизмы не смогли бы процветать. По оценкам, они могут присутствовать более чем на 30% территории планеты, что отражает их адаптивность и многочисленность.
Экстремофильные археи часто подразделяются на четыре основных типа в зависимости от среды обитания:
- ГалофилыОни обитают в средах с высокой концентрацией соли, таких как соленые озера или солончаки, где их численность превышает численность бактерий при определенных уровнях солености.
- Термофилы и гипертермофилыОни прекрасно себя чувствуют при температурах выше 45°C и даже выше 80°C, в горячих источниках, гидротермальных жерлах и нефтяных скважинах.
- Ацидофилы и алкалофилыОни способны расти при чрезвычайно низком уровне pH, близком к 0, или при очень высоком, используя преимущества специфического химического состава окружающей среды.
- ПсихрофилыОни обитают в очень холодных средах, таких как полярные моря, морской лед или глубокие осадочные породы, синтезируя ферменты, активные при низких температурах.
Однако многие археи являются мезофильными и обитают в умеренных условиях: почвах, умеренных океанах, болотах, отложениях и т. д. кишечник человека и других животныхВ морском планктоне некоторые археи группы Nitrososphaeria могут составлять до 40% микробной биомассы, активно участвуя в круговороте азота.
Благодаря этому невероятная выносливость Именно это позволило этому царству процветать с самого начала существования земной атмосферы, около 2.500 миллиардов лет назад, и оказало огромное влияние на эволюционные процессы планеты и её видов. Эта же устойчивость породила предположения о возможном существовании подобных микроорганизмов на других планетах или спутниках с экстремальными условиями.
Универсальный метаболизм: они перерабатывают больше ресурсов, чем другие микробы.
В отличие от многих других микроорганизмов, микроорганизмы, принадлежащие к царству Археи, способны перерабатывать большее разнообразие питательных веществ и сырья которые встречаются в самых разных средах. Среди них можно упомянуть: соединения азота, углерода и серы; у них даже есть такие процессы, как гликолиз (в своих вариациях), для получения энергии, обеспечивающей их жизненный цикл.
В зависимости от типа питания археи могут быть:
- ЛитотрофыОни получают энергию из неорганических соединений, таких как аммиак, водород, сера или железо, играя ключевую роль в биогеохимических циклах.
- ОрганотрофыОни используют органические соединения (сахара, органические кислоты, спирты) в качестве источника углерода и энергии.
- Фототрофы Классические нефотосинтезирующие организмы: некоторые галоархеи используют пигменты, такие как бактериородопсин, для преобразования солнечного света в АТФ без выделения кислорода.
Некоторые виды способны использовать солнечный свет в качестве источника энергии, не вырабатывая кислород, как это происходит в процессе фотосинтеза, — это уникальное свойство. внутри живых существ этой планетыСюда не входят метаногенные газы, то есть газы, образующиеся при очень специфических условиях, в том числе в кишечнике человека, поэтому считается, что они играют фундаментальную роль в процессе пищеварения и в образовании газов.
Лас- метаногенные археи В анаэробных условиях они используют углекислый газ, водород, ацетат или другие простые соединения в качестве акцепторов электронов, производя метан в качестве побочного продукта. Этот процесс необходим в болотах, отложениях, биореакторах и рубцах жвачных животных, но он также делает эти археи важными участниками в... парниковых газов.
Другие археи фиксируют углерод по альтернативным путям, отличным от цикла Кальвина, таким как цикл 3-гидроксипропионата/4-гидроксибутирата или восстановительный путь ацетил-КоА. В азотном цикле многие археи в почве и океанах окисляют аммиак, высвобождая нитриты, которые другие бактерии затем превращают в нитраты, пригодные для растений.
Бесполое размножение и передача генов
Виды, принадлежащие к царству Археи, размножаются исключительно бесполым путем, посредством таких процессов, как бинарное деление, множественное деление, почкование или фрагментация. Наиболее распространенный механизм — Бинарное делениеЭтот процесс заключается в дублировании одной клетки путем клонирования ее генетического материала и создании индивидуальной цитоплазмы для размещения нового генетического материала; основой этого способа размножения является репликация ДНК, позволяющая организму получить практически идентичную копию самого себя.
Важно учитывать, что подобная форма размножения также присутствует у бактерий и других одноклеточных организмов, которые составляют и составляли основу цепочки взаимодействия между живыми существами на этой планете. У архей рода Sulfolobus было обнаружено, что репликация хромосом начинается в нескольких точках начала репликации и использует ДНК-полимеразы, аналогичные эукариотам, в то время как белки, управляющие делением клеток, больше напоминают бактериальные.
Хотя они и не были описаны. эндоспоры Подобно некоторым бактериям, некоторые галоархеи могут образовывать клетки с утолщенными стенками, которые более устойчивы к осмотическим изменениям или изменениям солености, что позволяет им выживать в неблагоприятных условиях и колонизировать новые местообитания.
Помимо клонального размножения, археи могут обмениваться генетическим материалом посредством специфические плазмиды и вирусыБыли обнаружены вирусы с крайне разнообразной морфологией, включая бутылкообразные формы, крючкообразные палочки и каплевидные структуры, не похожие ни на один другой известный вирус, особенно у термофильных архей, таких как археи порядка Sulfolobales. Многие археи обладают системами защиты, основанными на повторяющихся последовательностях и РНК (подобно системе CRISPR-Cas), которые позволяют им распознавать и нейтрализовать вторгшуюся ДНК.
Взаимоотношения с человеком: микробиота и отсутствие явных патогенов.
Первоначально считалось, что археи не имеют отношения к здоровью человека, поскольку они были известны в основном по экстремальным условиям окружающей среды. Однако сегодня мы знаем, что они являются стабильной частью организма. микробиота человека в различных нишах:
- кишкаТакие виды, как Methanobrevibacter smithii, очень многочисленны в толстой кишке и могут представлять собой важную фракцию кишечных прокариот, участвующих в переваривании полисахаридов и в образовании метана.
- РотБактерия Methanobrevibacter oralis была обнаружена в зубном налете и пародонтальных карманах, где она может способствовать образованию анаэробных условий, потребляя водород.
- Кожа, дыхательные пути и мочевыделительная системаМетагеномные исследования выявили в этих местах последовательности архей, хотя и в меньшем количестве и с неясными функциями.
Известных четких примеров облигатных патогенных архей для человека или других животных нет, но некоторые из них были предложены. косвенные связи связь между обилием метаногенов и такими расстройствами, как хронический запор, синдром раздраженного кишечника с преобладанием запора, запущенное пародонтит или некоторые случаи кишечного дисбиоза.
В большинстве случаев археи, по-видимому, являются симбиотики или комменсалыВ кишечнике человека и жвачных животных они потребляют водород, производимый другими ферментативными микробами, что позволяет им получать больше энергии за счет расщепления целлюлозы или других сложных углеводов. У некоторых термитов археи даже живут внутри специализированных органелл (гидрогеносом) симбиотических простейших, замыкая сложную цепь обмена метаболитами.
Они используются во многих отраслях промышленности и в передовых биотехнологиях.
Для производства некоторых промышленных продуктов, предназначенных для потребления человеком, особенно молочных продуктов и их производных, хорошо известно использование бактерий и микроорганизмов в качестве катализаторов и активаторов химических реакций. Эти реакции придают таким продуктам, как сыры, сыворотка и йогурт, их характерную консистенцию, вкус, прочность и текстуру; однако существуют производственные цепочки, требующие высокие температуры Для реализации определенных характеристик большинство бактерий не выдерживают таких высоких температур, уступая место археям, способным выдерживать температуру более 100 °C и претерпевать необходимые изменения в этих продуктах для достижения эффективного качества.
Ферменты термофильных и гипертермофильных архей (иногда называемых экстремозимыОни обладают исключительной термостойкостью и, как правило, устойчивы к денатурирующим агентам, моющим средствам, органическим растворителям и экстремальным уровням pH. Это делает их незаменимыми в различных отраслях промышленности:
- Пищевая промышленностьАмилазы, галактозидазы и пуллуланазы из таких видов, как Pyrococcus furiosus, функционируют при высоких температурах, что позволяет перерабатывать молоко, сыворотку и другие продукты с низким содержанием лактозы без потери ферментативной активности.
- Молекулярная биологияТермостабильные ДНК-полимеразы, полученные из архей, произвели революцию в полимеразной цепной реакции (ПЦР), поскольку выдерживают многократные циклы денатурации, отжига и удлинения без деградации.
- Моющие средства, текстильная, бумажная и кожевенная промышленностьТермостойкие ферменты и поверхностно-активные вещества используются для повышения эффективности стирки, обработки волокон, а также в переработке бумаги и кожи.
- Производство биогаза и очистка водыМетаногенные археи играют фундаментальную роль в анаэробных реакторах, где они преобразуют органические отходы в метан, который может быть использован в качестве возобновляемого источника энергии.
- добычаВ горнодобывающей промышленности используется множество архей, которые эффективно взаимодействуют в химических реакциях, необходимых для получения таких минералов, как золото, кобальт и медь, что способствует более экологичным процессам биовыщелачивания.
В медицине значительные успехи были достигнуты благодаря изучению царства архей, поскольку на основе этих организмов были разработаны некоторые антибиотики, помогающие многим людям. аллергия на традиционные антибиотикиКроме того, были идентифицированы соединения архейного происхождения со структурами, значительно отличающимися от структур бактериальных антибиотиков, что открывает возможности для новых механизмов действия против устойчивых патогенов.
Менее одного процента существующих микроорганизмов изучены детально, поэтому, по оценкам, миллионы архей еще предстоит открыть, особенно в экстремальных условиях: на дне океанов, в зонах высокого давления, при экстремальных химических градиентах или в малоизученных нишах. Каждая вновь обнаруженная линия представляет собой потенциальный источник новые ферменты, различные антибиотики и уникальные метаболические пути с биотехнологическим потенциалом.
Огромное биоразнообразие экстремофильных микроорганизмов и их способность синтезировать активные белки в экстремальных условиях открыли перспективное направление в биотехнологии, поскольку многие промышленные процессы протекают в экстремальных условиях температуры, давления, ионной силы, pH и присутствия органических растворителей. Кроме того, эти ферменты могут быть использованы в качестве модели для разработки белков, созданных по индивидуальному заказу посредством генной инженерии, адаптированной для конкретных применений.
Хотя археи были обнаружены как отдельная группа сравнительно недавно, и их культивирование во многих случаях остается сложной задачей, сочетание методов селекции, метагеномики, массового секвенирования и структурной биологии позволяет получить все больше информации об их разнообразии и возможностях. Все указывает на то, что эта область жизни, столь же обособленная, сколь и многочисленная, все еще может внести значительный вклад как в понимание нашего происхождения, так и в разработку более эффективных и устойчивых технологий.