Планетата Земя е засега единственото място във Вселената, където флуоресценцията на живота може да се постигне благодарение на климатичните променливи, които се събират в нашата среда; по същество течната вода, подходящите температури и подходящите химични реакции са позволили формирането и еволюцията на организми, които оцеляват чрез синтезиране на енергия от въглеродни и кислородни молекули.
Човешките същества са част от този екипаж, който взаимодейства в света, както и различните видове, които можем да наблюдаваме често; има обаче много организми, които са извън обсега на погледа и които също имат фундаментална роля в баланса на живота; тези живи същества се наричат микроорганизми , поради малките си размери и основния си органичен състав; тази елементарна организация на телесната им система е позволила успешното им размножаване и разпространение.
Археите и тяхното място в дървото на живота
Микробиологията е наука, която изучава тези микроорганизми и ги класифицира според определени аспекти, които ги отличават, като по този начин установява съществена разлика между многоклетъчните и едноклетъчните организми ; говорейки за многоклетъчните организми, откриваме, че те са форми на живот, които, макар и микроскопични, са съставени от няколко клетки, които структурират основните си системи за взаимодействие по определен начин.
Докато едноклетъчните организми разчитат на една клетка, за да осъществяват всичките си процеси, те включват организми, принадлежащи към царството Археи, които някога са били бъркани с бактериите поради структурните им прилики. Тези микроорганизми са едноклетъчни прокариоти , които нямат ясно определено ядро и вътрешни мембранно свързани органели, но тяхната биохимия и генетика ги отличават от бактериите.
Когато са били идентифицирани като отделна група, те са били наречени архебактерии и включени в предишното царство Монера. Анализите на рибозомната РНК и целия геном обаче показват, че археите имат независима еволюционна история и уникални молекулярни характеристики, поради което сега са признати за една от трите основни области на живота: археи, бактерии и еукариоти.
Въпреки че може би сте чували за тези своеобразни живи същества, в тази статия ще ви покажем неща, които вероятно не сте знаели за царството на археите, които със сигурност ще ви изненадат, интегрирайки това, което е известно за тяхната биология, разнообразие, екологична роля и въздействие върху технологиите.
Обширна съвременна класификация и таксономия на археите
Царството или домейнът Археи има обширна и все още развиваща се вътрешна класификация . За разлика от други групи живи организми, повечето от видовете му са известни само чрез анализа на техните нуклеинови киселини в проби от околната среда, тъй като култивирането им в лаборатория често е сложно. Това означава, че систематиката на археите е в процес на непрекъснато преразглеждане.
В момента в рамките на археите са разпознати няколко основни рода. Много автори посочват четири основни царства или супергрупи въз основа на молекулярната филогения:
- Метанобактериоти (преди Euryarchaeota): обединява най-големия брой известни археи, включително повечето от метаногенни археи които произвеждат метан, много екстремни халофили и няколко термоацидофилни групи.
- Термопротеот (известна също като групата TACK): включва класове като Nitrososphaeria, Korarchaeia и Thermoproteia, с многобройни термофили и хипертермофили, ацидофили и организми, участващи в амониевото окисление.
- Прометеархеота или АсгардОчарователна супергрупа, съдържаща археи, много тясно свързани с еукариотите, с гени и протеини, напомнящи на клетки с ядро, и които биха могли да представляват родословието на сложния живот.
- Нанобделати (често идентифицирана като DPANN група): образувана от археи ултрамалък, много от тях ацидофилни или хипертермофилни, с много редуцирани геноми, като например Nanoarchaeum equitans.
В рамките на тези супергрупи са предложени множество кандидат-типове, като Bathyarchaeia, Hydrothermarchaeota и Lokiarchaeia, като всеки от тях групира линии с много специфични екологични и физиологични характеристики. Общият брой на предложените археални типове надхвърля десет и само част от тях са култивирани и проучени подробно, така че истинското разнообразие на археите остава до голяма степен неизвестно.
Археите, заедно с бактериите, са известни като най-многобройната група живи организми на планетата, съставляваща популация от трилиони индивиди, които се размножават непрекъснато всеки ден. Тяхната едноклетъчна структура, която управлява жизнения им цикъл, прави размножаването им високоефективен процес , който ще обясним подробно по-късно.
Уникални клетъчни характеристики, които ги отличават от бактериите
Археите и бактериите са доста сходни по размер и форма, въпреки че археите могат да проявяват много необичайни морфологии : от класически сфери и пръчки до сплескани и квадратни форми като Haloquadratum walsbyi, нишки с размер над 200 микрона или колонии, свързани с кухи тръбички (канули), както в рода Pyrodictium.
Въпреки визуалната си прилика с бактериите, археите притежават гени и няколко метаболитни пътя, по-тясно свързани с тези на еукариотите , особено в ензимите, участващи в транскрипцията и транслацията. Освен това, те проявяват уникални биохимични характеристики:
- Плазмена мембрана с липиди, прикрепени към глицерол чрез етерни връзки и опашки, образувани от разклонени изопреноидни вериги. Това им придава много по-висока устойчивост на високи температури, екстремни pH и органични разтворители.
- Клетъчна стена без типичен бактериален пептидогликан. Много археи притежават псевдопептидогликан, специфични гликопротеини или полизахариди, които действат като защитен S-слой.
- Рибозоми от 70S тип, подобни на тези на бактериите, но с рибозомни протеини и транскрипционни фактори, много близки до тези на еукариотите, което засилва еволюционната връзка между археите и еукариотите.
- Архейски флагели структурно различни от бактериалните, по-подобни на пили тип IV, сглобени от основата, а не от върха.
Съвсем скорошно откритие дори показа, че някои археи са способни да образуват структура, подобна на ядро , нещо, което доскоро се смяташе за присъщо само на еукариотните клетки. Това отваря нови въпроси за това как е била организирана генната експресия при предците на сложния живот.
Те обитават всички среди: от екстремофили до мезофили
Когато се смяташе, че археите са част от бактериите, се смяташе също, че тези организми могат да живеят само в екстремни и много специфични местообитания; сега обаче е известно, че видовете, принадлежащи към царството на археите, могат да присъстват в много разнообразни среди без никакъв проблем.
Температурите, които тези организми могат да издържат, варират от над 100°C до под -30°C ; забележително е също, че те могат да оцелеят и да взаимодействат нормално в солени среди, където други микроорганизми не биха могли да виреят. Смята се, че те може да присъстват в повече от 30% от планетата по отношение на разпространението им в околната среда, което отразява тяхната адаптивност и изобилие.
Екстремофилните археи често се групират в четири основни типа според местообитанието им:
- ХалофилиТе живеят в среди с висока концентрация на сол, като солени езера или солени равнини, където броят им превъзхожда бактериите над определени нива на соленост.
- Термофили и хипертермофилиТе виреят при температури над 45°C и дори над 80°C, в горещи извори, хидротермални отвори и нефтени кладенци.
- Ацидофили и алкалофилиТе могат да растат при изключително ниски нива на pH, близки до 0, или много високи нива, възползвайки се от специфичния химичен състав на средата си.
- ПсихрофилиТе живеят в много студени среди като полярни морета, морски лед или дълбоки седименти, синтезирайки ензими, активни при ниски температури.
Въпреки това, много археи са мезофилни и обитават умерени условия: почви, умерени океани, блата, седименти и червата на хора и други животни . В морския планктон някои археи от групата Nitrososphaeria могат да съставляват до 40% от микробната биомаса, като участват активно в азотния цикъл.
Благодарение на тази невероятна устойчивост , това царство процъфтява от самото начало на земната атмосфера, преди около 2.500 милиарда години, и е оказало голямо влияние върху еволюционните процеси на планетата и нейните видове. Същата тази устойчивост е подхранвала спекулациите за евентуалното съществуване на подобни микроорганизми на други планети или луни с екстремни условия.
Универсален метаболизъм: те преработват повече ресурси от други микроби
За разлика от много други микроорганизми, тези, принадлежащи към царството на археите, могат да преработват по-голямо разнообразие от хранителни вещества и суровини, намиращи се в различни среди. Те включват азотни, въглеродни и серни съединения; те дори притежават процеси като гликолиза (в техни собствени вариации), за да получат енергията, която поддържа жизнените им цикли.
Въз основа на вида им на хранене, археите могат да бъдат:
- ЛитотрофиТе получават енергия от неорганични съединения като амоняк, водород, сяра или желязо, играейки ключова роля в биогеохимичните цикли.
- ОрганотрофиТе използват органични съединения (захари, органични киселини, алкохоли) като източник на въглерод и енергия.
- Фототрофи Класически нефотосинтетични: някои халоархеи използват пигменти като бактериородопсин, за да използват слънчевата светлина и да генерират АТФ, без да отделят кислород.
Някои видове могат да използват слънчевата светлина като източник на енергия, без да генерират кислород, както е при фотосинтетичните процеси, уникално качество сред живите същества на тази планета . Това не включва тези, които са метаногенни, т.е. тези, които генерират метан при много специфични обстоятелства, включително човешкото черво, поради което се смята, че играят фундаментална роля в храносмилателния процес и в производството на газове.
Метаногенните археи използват въглероден диоксид, водород, ацетат или други прости съединения като акцептори на електрони при анаеробни условия, произвеждайки метан като страничен продукт. Този процес е от съществено значение в блатата, седиментите, реакторите за отпадъчни води и търбухите на преживните животни, но също така прави тези археи значителни участници в емисиите на парникови газове.
Други археи фиксират въглерода чрез алтернативни пътища на цикъла на Калвин, като например 3-хидроксипропионат/4-хидроксибутиратния цикъл или ацетил-КоА редуктивния път. В азотния цикъл много археи в почвите и океаните окисляват амоняка, освобождавайки нитрити, които други бактерии след това превръщат в нитрати, използваеми от растенията.
Безполово размножаване и генетичен трансфер
Видовете, принадлежащи към царство Археи, се размножават изключително безполово, чрез процеси като бинарно делене, множествено делене, пъпкуване или фрагментация. Най-често срещаният механизъм е бинарното делене , което включва дублиране на една клетка чрез клониране на нейния генетичен материал и създаване на индивидуална цитоплазма, която да помещава новия генетичен материал. Основата на този репродуктивен метод е репликацията на ДНК, която позволява на организма да получи практически идентично копие на себе си.
Важно е да се има предвид, че тази форма на размножаване присъства и при бактерии и други едноклетъчни организми, които формират и са формирали основата на веригата на взаимодействие между живите същества на тази планета. При археите от рода Sulfolobus е наблюдавано, че хромозомната репликация започва от множество места и използва ДНК полимерази, подобни на тези на еукариотите, докато протеините, които насочват клетъчното делене, напомнят повече на бактериалните.
Въпреки че археалните ендоспори, подобни на тези на някои бактерии, не са описани , някои халоархеи могат да образуват клетки с удебелени стени, които са по-устойчиви на осмотични или соленостни промени, което им позволява да оцелеят при неблагоприятни условия и да колонизират нови местообитания.
В допълнение към клоновото размножаване, археите могат да обменят генетичен материал чрез специфични плазмиди и вируси . Открити са вируси с много разнообразна морфология, включително форми на бутилки, кукообразни пръчици и капковидни структури, за разлика от всеки друг известен вирус, особено при термофилни археи, като тези от разред Sulfolobales. Много археи притежават защитни системи, базирани на повтарящи се последователности и РНК (подобно на системата CRISPR-Cas), които им позволяват да разпознават и неутрализират нахлуващата ДНК.
Връзка с хората: микробиота и липса на ясни патогени
Първоначално се е смятало, че археите нямат значение за човешкото здраве, тъй като са били познати предимно от екстремни среди. Днес обаче е известно, че те са стабилна част от човешката микробиота в различни ниши:
- ИнтестиноВидове като Methanobrevibacter smithii са много разпространени в дебелото черво и могат да представляват важна фракция от чревните прокариоти, участващи в смилането на полизахариди и в производството на метан.
- устаMethanobrevibacter oralis е открит в зъбната плака и пародонталните джобове, където може да насърчава анаеробната среда чрез консумиране на водород.
- Кожа, дихателни пътища и пикочно-полова системаМетагеномни изследвания са идентифицирали археални последователности на тези места, макар и в по-малки количества и все още с неясни функции.
Няма известни ясни примери за облигатни патогенни археи за хора или други животни, но са предложени косвени връзки между изобилието от метаногени и разстройства като хроничен запек, синдром на раздразнените черва с преобладаване на запек, напреднало пародонтално заболяване или някои случаи на чревна дисбиоза.
В повечето случаи археите изглеждат мутуалистични или коменсални . В червата на човека и преживните животни те консумират водород, произведен от други ферментиращи микроби, което им позволява да получават повече енергия от разграждането на целулоза или други сложни въглехидрати. При някои термити археите дори живеят в специализирани органели (хидрогенозоми) на симбиотични протозои, завършвайки сложна верига за обмен на метаболити.
Те се използват в много индустрии и в напредналите биотехнологии.
За производството на определени промишлени продукти за консумация от човека, особено млечни продукти и техните производни, е добре известно използването на бактерии и микроорганизми като катализатори и активатори на химични реакции. Тези реакции придават на тези продукти, като сирена, суроватка и кисело мляко, характерната им консистенция, вкус, трайност и текстура. Някои производствени линии обаче изискват високи температури , за да постигнат определени характеристики. Повечето бактерии не могат да издържат на тези изключително горещи условия, отстъпвайки място на археите, които могат да издържат на температури над 100°C и да извършват необходимите промени в тези храни, за да постигнат ефективно качество.
Ензимите от термофилни и хипертермофилни археи (понякога наричани екстремозими ) са изключително термостабилни и обикновено са устойчиви на денатуриращи агенти, детергенти, органични разтворители и екстремни нива на pH. Това ги прави безценни за различни индустрии:
- Хранително-вкусовата промишленостАмилази, галактозидази и пулуланази от видове като Pyrococcus furiosus функционират при високи температури, което позволява обработката на нисколактозно мляко, суроватка и други продукти без загуба на ензимна активност.
- Молекулярна биологияТермостабилните ДНК полимерази, получени от археи, революционизираха полимеразната верижна реакция (PCR), като издържаха на повтарящи се цикли на денатурация, отгряване и удължаване без да се разграждат.
- Промишленост за перилни препарати, текстил, хартия и кожаЕнзими и повърхностноактивни вещества, устойчиви на висока температура, се използват за подобряване на ефективността на изпиране, обработката на влакната и обработката на хартия и кожа.
- Производство на биогаз и пречистване на водаМетаногенните археи са фундаментални в анаеробните дигестори, където те превръщат органичните отпадъци в метан, който може да се използва като възобновяем източник на енергия.
- миненВ минното дело се използват много археи, които ефективно си сътрудничат в химичните реакции, необходими за получаване на минерали като злато, кобалт и мед, улеснявайки процесите на биоизлужване, които са по-екологични.
В медицината е постигнат значителен напредък чрез царството на археите, тъй като някои антибиотици са произведени с помощта на тези организми, помагайки на много хора, алергични към традиционните антибиотици . Освен това са идентифицирани съединения с археен произход със структури, много различни от тези на бактериалните антибиотици, което отваря вратата към нови механизми на действие срещу резистентни патогени.
По-малко от един процент от всички известни микроорганизми са проучени подробно, така че се смята, че милиони археи все още не са открити, особено в екстремни среди: океански дълбини, зони с високо налягане, екстремни химични градиенти или ниши, от които са изследвани малко проби. Всяка новоидентифицирана линия представлява потенциален източник на нови ензими, различни антибиотици и уникални метаболитни пътища с биотехнологичен потенциал.
Огромното биоразнообразие на екстремофилните микроорганизми и способността им да синтезират активни протеини при екстремни условия открива обещаваща област в биотехнологиите, като се има предвид, че много промишлени процеси протичат при екстремни условия на температура, налягане, йонна сила, pH и наличие на органични разтворители. Освен това, тези ензими могат да бъдат използвани като модели за проектиране на персонализирани протеини, съобразени със специфични приложения.
Въпреки че археите бяха открити като отделна група сравнително наскоро и тяхното култивиране остава предизвикателство в много случаи, комбинацията от техники за селективно размножаване, метагеномика, масивно секвениране и структурна биология разкрива все повече подробности за тяхното разнообразие и възможности. Всички индикации сочат, че тази област на живота, колкото и дискретна, толкова и изобилна, все още има много да допринесе както за разбирането на нашия произход, така и за разработването на по-ефективни и устойчиви технологии.