Цікаві факти про археї: різноманітність, функції та дивовижні застосування

Планета Земля поки що є єдиним місцем у Всесвіті, де флуоресценція життя може бути досягнута завдяки кліматичним змінним, що сходяться в нашому середовищі існування; по суті, рідка вода, відповідні температури та відповідні хімічні реакції дозволили формування та еволюцію організмів, які виживають, синтезуючи енергію з молекул вуглецю та кисню.

Люди є частиною цього екіпажу, який взаємодіє у світі, а також різні види, які ми зазвичай можемо спостерігати, однак існує багато організмів, які відсутні з поля зору і які так само відіграють основну роль у рівновазі життя ; ці живі істоти Їх називають мікроорганізмамиЗавдяки своїм крихітним розмірам та простому органічному складу, така елементарна організація його системи тіла дозволила йому успішно розмножуватися та поширюватися.

Археї та їхнє місце в дереві життя

Мікробіологія - це наука, яка відповідає за вивчення цих мікроорганізмів та їх класифікацію за певними аспектами, що їх відрізняють, тим самим створюючи горезвісну Різниця між багатоклітинними та одноклітинними організмамиГоворячи про багатоклітинні організми, ми виявляємо, що це форми життя, які, хоча й мікроскопічні, складаються з кількох клітин, що певним чином структурують свої основні системи взаємодії.

Хоча одноклітинні організми покладаються на одну клітину для здійснення всіх своїх процесів, до них належать організми, що належать до домену або царства Археї, які колись плутали з бактеріями через їхню структурну схожість. Ці мікроорганізми є одноклітинні прокаріоти Вони не мають чітко визначеного ядра або внутрішніх мембранозв'язаних органел, але їхня біохімія та генетика відрізняють їх від бактерій.

Коли їх було визначено як окрему групу, їх назвали архебактеріями та включили до колишнього царства Monera. Однак аналіз рибосомної РНК та всього геному показав, що археї мають незалежна еволюційна історія та унікальні молекулярні особливості, саме тому їх зараз визнають однією з трьох основних областей життя: археї, бактерії та еукаріоти.

Хоча ви, можливо, чули про цих своєрідних живих істот, у цій статті ми покажемо вам Речі, яких ви, ймовірно, не знали про царство Архей і це вас точно здивує, враховуючи те, що відомо про їхню біологію, їхнє різноманіття, їхню екологічну роль та їхній вплив на технології.

Розширена сучасна класифікація та таксономія архей

Царство або домен Архей має обширна та все ще змінювана внутрішня класифікаціяНа відміну від інших груп живих організмів, більшість видів архей відомі лише завдяки аналізу їхніх нуклеїнових кислот у зразках навколишнього середовища, оскільки їх культивування в лабораторії часто є складним. Це означає, що систематика архей постійно переглядається.

Наразі в межах архей визнається кілька основних ліній. Багато авторів обговорюють чотири великі королівства або супергрупи основні з них, засновані на молекулярній філогенії:

Метанобактеріоти (раніше Euryarchaeota): об'єднує найбільшу кількість відомих архей, включаючи більшість метаногенні археї що утворюють метан, багато екстремальних галофілів та кілька термоацидофільних груп.
Термопротеот (також відома як група TACK): включає такі класи, як Nitrososphaeria, Korarchaeia та Thermoproteia, з численними термофіли та гіпертермофіли, ацидофіли та організми, що беруть участь в окисленні амонію.
Прометеархеота або АсгардЗахоплива надгрупа, що містить археї, дуже тісно пов'язані з еукаріотами, з генами та білками, що нагадують клітини з ядром, і які могли б представляти родовід предків складного життя.
Нанобделлаті (часто ідентифікована як група DPANN): утворена археями надмалий, багато з них ацидофільні або гіпертермофільні, з дуже редукованими геномами, такими як Nanoarchaeum equitans.

У межах цих надгруп запропоновано кілька кандидатних типів, таких як Bathyarchaeia, Hydrothermarchaeota та Lokiarchaeia, кожна з яких об'єднує лінії з дуже специфічними екологічними та фізіологічними ознаками. Загальна кількість запропонованих типів архей перевищує десять, і лише частина з них була культивована та детально вивчена, тому Справжнє різноманіття архей залишається значною мірою невідомим.

Археї, разом з бактеріями, відомі як найчисленніша група живих організмів на планеті, що складається з популяції з трильйонів особин, які безперервно розмножуються щодня. Їхня одноклітинна структура, яка керує їхнім життєвим циклом, означає, що його розмноження є високоефективним процесом і які ми детально розповімо пізніше.

Унікальні клітинні характеристики, що відрізняють їх від бактерій

Археї та бактерії досить схожі за розміром та формою, хоча археї можуть проявляти дуже незвичайні морфології: від класичних сфер і брусків до сплющених і квадратних форм, таких як Haloquadratum walsbyi, ниток розміром понад 200 мікрон або колоній, з'єднаних порожнистими трубками (канулами), як у роду Pyrodictium.

Незважаючи на цю візуальну схожість з бактеріями, археї мають гени та кілька метаболічних шляхів. ближчі до еукаріотівособливо у ферментах, що беруть участь у транскрипції та трансляції. Крім того, вони демонструють унікальні біохімічні особливості:

Плазматична мембрана з ліпідами, приєднаними до гліцерину за допомогою ефірні зв'язки і хвости, утворені розгалуженими ізопреноїдними ланцюгами. Це надає їм значно вищу стійкість до високих температур, екстремальних значень pH та органічних розчинників.
Клітинна стінка без типового бактеріального пептидоглікану. Багато архей мають псевдопептидоглікан, специфічні глікопротеїни або полісахариди, що діють як захисний S-шар.
Рибосоми типу 70S, подібних до бактерій, але з рибосомними білками та факторами транскрипції, дуже близькими до таких у еукаріотів, що підкріплює еволюційний зв'язок між археями та еукаріотами.
Архейські джгутики структурно відрізняються від бактеріальних, більше схожі на пілі IV типу, зібрані від основи, а не від кінчика.

Зовсім недавнє відкриття навіть показало, що деякі археї здатні формувати структуру, подібну до ядерцеДонедавна це вважалося винятковою рисою еукаріотичних клітин. Це відкриває нові питання про те, як була організована експресія генів у предків складного життя.

Вони населяють усі середовища: від екстремофілів до мезофілів

Коли вважалося, що археї належать до бактерій, також вважалося, що ці організми можуть жити лише в екстремальних та дуже специфічних середовищах існування; однак зараз відомо, що види, що належать до царства архей, можуть бути присутніми в дуже різноманітних середовищах без жодних проблем.

Щодо температур, які можуть витримувати ці живі істоти, вони іноді коливаються між вище 100°C та нижче -30°CТакож примітно, що вони можуть виживати та нормально взаємодіяти в солоних середовищах, де будь-який інший мікроорганізм не міг би процвітати. За оцінками, вони можуть бути присутніми на понад 30% планети з точки зору поширення в навколишньому середовищі, що відображає їхню адаптивність та чисельність.

Екстремофільних архей часто поділяють на чотири основні типи залежно від середовища їхнього існування:

ГалофілиВони живуть у середовищах з високою концентрацією солі, таких як солоні озера або солончаки, де їхня кількість перевищує кількість бактерій вище певних рівнів солоності.
Термофіли та гіпертермофілиВони процвітають за температури вище 45°C і навіть вище 80°C, у гарячих джерелах, гідротермальних жерлах та нафтових свердловинах.
Ацидофіли та алкаліфілиВони можуть рости при надзвичайно низьких рівнях pH, близьких до 0, або дуже високих рівнях, використовуючи особливий хімічний склад свого середовища.
ПсихрофілиВони живуть у дуже холодних середовищах, таких як полярні моря, морський лід або глибокі відкладення, синтезуючи ферменти, активні за низьких температур.

Однак багато архей є мезофільними та населяють помірні умови: ґрунти, помірні океани, болота, відкладення та кишечник людини та інших тваринУ морському планктоні деякі археї групи Nitrososphaeria можуть становити до 40% мікробної біомаси, активно беручи участь у кругообігу азоту.

Завдяки цьому неймовірна витривалість Саме це дозволило цьому царству процвітати з самого початку формування земної атмосфери, близько 2.500 мільярдів років тому, і що значною мірою вплинуло на еволюційні процеси планети та її видів. Ця ж стійкість підживлювала припущення про можливе існування подібних мікроорганізмів на інших планетах або супутниках з екстремальними умовами.

Універсальний метаболізм: вони переробляють більше ресурсів, ніж інші мікроби

На відміну від багатьох інших мікроорганізмів, ті, що належать до царства архей, можуть переробляти більша різноманітність поживних речовин та сировини які зустрічаються в різноманітних середовищах. Серед них можна згадати: сполуки азоту, вуглецю та сірки; вони навіть мають такі процеси, як гліколіз (у своїх власних варіаціях), для отримання енергії, що гарантує їхні життєві цикли.

Залежно від типу живлення, археї можуть бути:

ЛітотрофиВони отримують енергію з неорганічних сполук, таких як аміак, водень, сірка або залізо, відіграючи ключову роль у біогеохімічних циклах.
ОрганотрофиВони використовують органічні сполуки (цукри, органічні кислоти, спирти) як джерело вуглецю та енергії.
Фототрофи Класичний нефотосинтез: деякі галоархеї використовують пігменти, такі як бактеріородопсин, для використання сонячного світла та генерації АТФ без вивільнення кисню.

Деякі види можуть використовувати сонячне світло як джерело енергії, не виробляючи кисень, як у процесах фотосинтезу, що є унікальною властивістю. серед живих істот цієї планетиЦе не включає ті, що є метаногенними, тобто ті, що генерують метан за дуже специфічних обставин, включаючи кишечник людини, тому вважається, що вони відіграють фундаментальну роль у процесі травлення та виробленні газів.

The метаногенні археї Вони використовують вуглекислий газ, водень, ацетат або інші прості сполуки як акцептори електронів в анаеробних умовах, утворюючи метан як побічний продукт. Цей процес є важливим у болотах, відкладеннях, реакторах стічних вод та рубцях жуйних тварин, але він також робить ці археї важливими гравцями в... парникові гази.

Інші археї фіксують вуглець через альтернативні до циклу Кальвіна шляхи, такі як 3-гідроксипропіонат/4-гідроксибутиратний цикл або відновний шлях ацетил-КоА. У циклі азоту багато архей у ґрунтах та океанах окислюють аміак, вивільняючи нітрити, які інші бактерії потім перетворюють на нітрати, придатні для використання рослинами.

Безстатеве розмноження та передача генів

Види, що належать до царства архей, розмножуються виключно безстатевим шляхом, за допомогою таких процесів, як бінарний поділ, множинний поділ, брунькування або фрагментація. Найпоширенішим механізмом є Діленнямякий полягає в дублюванні однієї клітини шляхом клонування її генетичного матеріалу та створення індивідуальної цитоплазми для розміщення нового генетичного матеріалу; основою цієї форми розмноження є реплікація ДНК, що дозволяє організму отримати практично ідентичну копію себе.

Важливо враховувати, що ця форма розмноження також присутня у бактерій та інших одноклітинних організмів, які формують і формували основу ланцюга взаємодії між живими істотами на цій планеті. У архей роду Sulfolobus спостерігалося, що реплікація хромосом ініціюється з кількох точок оходження та використовує ДНК-полімерази, подібні до тих, що є в еукаріотів, тоді як білки, що спрямовують поділ клітин, більше нагадують бактеріальні.

Хоча вони не були описані ендоспори Як і деякі бактерії, деякі галоархеї можуть утворювати клітини з потовщеними стінками, які є більш стійкими до осмотичних змін або змін солоності, що дозволяє їм виживати в несприятливих умовах та колонізувати нові середовища існування.

Окрім клонального розмноження, археї можуть обмінюватися генетичним матеріалом через специфічні плазміди та вірусиБуло виявлено віруси з дуже різноманітною морфологією, включаючи пляшкові форми, гачкоподібні палички та краплеподібні структури, на відміну від будь-якого іншого відомого вірусу, особливо у термофільних архей, таких як представники ряду Sulfolobales. Багато архей мають захисні системи, засновані на повторюваних послідовностях та РНК (подібно до системи CRISPR-Cas), що дозволяє їм розпізнавати та нейтралізувати ДНК, що вторгається.

Зв'язок з людьми: мікробіота та відсутність явних патогенів

Спочатку вважалося, що археї не мають значення для здоров'я людини, оскільки вони були відомі переважно з екстремальних середовищ. Однак сьогодні ми знаємо, що вони є стабільною частиною мікробіота людини у різних нішах:

ІнтестиноТакі види, як Methanobrevibacter smithii, дуже поширені в товстій кишці та можуть представляти важливу фракцію кишкових прокаріотів, беручи участь у перетравленні полісахаридів та у виробленні метану.
БокаMethanobrevibacter oralis був виявлений у зубному нальоті та пародонтальних кишенях, де він може сприяти анаеробному середовищу, споживаючи водень.
Шкіра, дихальні шляхи та сечовидільна системаМетагеномні дослідження виявили археальні послідовності в цих місцях, хоча й у менших кількостях та з досі незрозумілими функціями.

Немає відомих чітких прикладів облігатних патогенних архей для людини чи інших тварин, але деякі з них були запропоновані. непрямі асоціації між великою кількістю метаногенів та такими розладами, як хронічний запор, синдром подразненого кишечника з переважанням запору, запущені захворювання пародонту або деякі випадки дисбактеріозу кишечника.

У більшості випадків археї виглядають мутуалісти або комменсалиУ кишечнику людини та жуйних тварин вони споживають водень, що виробляється іншими ферментативними мікробами, що дозволяє їм отримувати більше енергії від розщеплення целюлози або інших складних вуглеводів. У деяких термітів археї навіть живуть у спеціалізованих органелах (гідрогеносомах) симбіотичних найпростіших, завершуючи складний ланцюг обміну метаболітами.

Вони використовуються в багатьох галузях промисловості та в передових біотехнологіях.

Для виробництва певних промислових продуктів для споживання людиною, особливо молочних продуктів та їх похідних, добре відомо використання бактерій та мікроорганізмів як каталізаторів та активаторів хімічних реакцій. Ці реакції надають цим продуктам, таким як сири, сироватка та йогурт, їхньої характерної консистенції, смаку, міцності та текстури; однак існують виробничі ланцюги, які вимагають високі температури Для реалізації певних характеристик більшість бактерій не можуть витримувати ці дуже високі температури, поступаючись місцем археям, які можуть витримувати понад 100 ºC та розвивати зміни, необхідні в цих продуктах для досягнення ефективної якості.

Ферменти термофільних та гіпертермофільних архей (іноді їх називають екстремозимиВони надзвичайно термостійкі та зазвичай стійкі до денатурируючих агентів, мийних засобів, органічних розчинників та екстремальних рівнів pH. Це робить їх безцінними для різних галузей промисловості:

Харчова промисловістьАмілази, галактозидази та пуллуланази таких видів, як Pyrococcus furiosus, функціонують за високих температур, дозволяючи обробляти молоко, сироватку та інші продукти з низьким вмістом лактози без втрати ферментативної активності.
Молекулярна біологіяТермостабільні ДНК-полімерази, отримані з архей, революціонізували полімеразну ланцюгову реакцію (ПЛР), витримуючи повторювані цикли денатурації, відпалу та подовження без деградації.
Мийні засоби, текстильна, паперова та шкіряна промисловістьДля покращення ефективності прання, обробки волокон, а також обробки паперу та шкіри використовуються ферменти та поверхнево-активні речовини, стійкі до високих температур.
Виробництво біогазу та очищення водиМетаногенні археї є фундаментальними в анаеробних дигесторах, де вони перетворюють органічні відходи на метан, який можна використовувати як відновлюване джерело енергії.
ВидобутокУ гірничодобувній справі використовується багато архей, які ефективно взаємодіють у хімічних реакціях, необхідних для отримання таких мінералів, як золото, кобальт і мідь, сприяючи екологічно чистим процесам біовилуговування.

У медицині значного прогресу досягнуто завдяки царству архей, оскільки на основі цих організмів було вироблено деякі антибіотики, що допомогло багатьом людям, які... алергія на традиційні антибіотикиКрім того, були ідентифіковані сполуки архейного походження зі структурами, що дуже відрізняються від структур бактеріальних антибіотиків, що відкриває шлях до нових механізмів дії проти резистентних патогенів.

Менше одного відсотка існуючих мікроорганізмів було детально вивчено, тому, за оцінками, мільйони архей ще належить відкрити, особливо в екстремальних середовищах: океанічному дні, зонах високого тиску, екстремальних хімічних градієнтах або нішах, з яких було мало досліджено проб. Кожна новоідентифікована лінія являє собою потенційне джерело нові ферменти, різні антибіотики та унікальні метаболічні шляхи з біотехнологічним потенціалом.

Велике біорізноманіття серед екстремофільних мікроорганізмів та їхня здатність синтезувати активні білки в екстремальних умовах відкрили перспективну галузь у біотехнології, оскільки багато промислових процесів відбуваються в екстремальних умовах температури, тиску, іонної сили, pH та присутності органічних розчинників. Крім того, ці ферменти можуть бути використані як моделі для проектування білків на замовлення за допомогою генної інженерії, адаптованих до конкретних застосувань.

Хоча археї були відкриті як окрема група відносно недавно, і їх культивування залишається складним у багатьох випадках, поєднання методів селекції, метагеноміки, масового секвенування та структурної біології розкриває дедалі більше деталей про їхню різноманітність та можливості. Усе свідчить про те, що ця сфера життя, така ж непомітна, як і численна, все ще може багато зробити для розуміння нашого походження та розробки більш ефективних та стійких технологій.