Obiettivi di apprendimento
- Descrivere le caratteristiche uniche di ogni categoria di Archaea
- Spiegare perché gli archaea potrebbero non essere associati con il microbioma umano o la patologia
- Dare esempi comuni di archaea comunemente associati con habitat ambientali unici
Come gli organismi del dominio Bacteria, gli organismi del dominio Archaea sono tutti organismi unicellulari. Tuttavia, gli archaea differiscono strutturalmente dai batteri in diversi modi significativi, come discusso in Caratteristiche uniche delle cellule procariotiche. Per riassumere:
- La membrana cellulare degli archei è composta da legami eterei con catene isopreniche ramificate (al contrario della membrana cellulare batterica, che ha legami esteri con acidi grassi non ramificati).
- Le pareti cellulari degli Archaea mancano di peptidoglicano, ma alcuni contengono una sostanza strutturalmente simile chiamata pseudopeptidoglicano o pseudomureina.
- I genomi degli Archaea sono più grandi e più complessi di quelli dei batteri.
Il dominio Archaea è tanto vario quanto quello dei batteri, e i suoi rappresentanti possono essere trovati in qualsiasi habitat. Alcuni archaea sono mesofili, e molti sono estremofili, preferendo il caldo o il freddo estremo, la salinità estrema, o altre condizioni che sono ostili alla maggior parte delle altre forme di vita sulla terra. Il loro metabolismo è adattato agli ambienti difficili, e possono eseguire la metanogenesi, per esempio, cosa che i batteri e gli eucarioti non possono fare.
La dimensione e la complessità del genoma degli archei li rende difficili da classificare. La maggior parte dei tassonomisti concorda sul fatto che all’interno degli Archaea ci sono attualmente cinque phyla principali: Crenarchaeota, Euryarchaeota, Korarchaeota, Nanoarchaeota e Thaumarchaeota. Ci sono probabilmente molti altri gruppi di archei che non sono ancora stati sistematicamente studiati e classificati.
Con poche eccezioni, gli archei non sono presenti nel microbiota umano, e nessuno è attualmente noto per essere associato a malattie infettive negli esseri umani, animali, piante o microrganismi. Tuttavia, molti svolgono ruoli importanti nell’ambiente e possono quindi avere un impatto indiretto sulla salute umana.
Crenarchaeota
Crenarchaeota è una classe di Archaea che è estremamente diversa, contenente generi e specie che differiscono notevolmente nella loro morfologia e requisiti per la crescita. Tutti i Crenarchaeota sono organismi acquatici, e si pensa che siano i microorganismi più abbondanti negli oceani. La maggior parte dei Crenarchaeota, ma non tutti, sono ipertermofili; alcuni di loro (in particolare, il genere Pyrolobus) sono in grado di crescere a temperature fino a 113 °C.
Figura 1. Sulfolobus, un archeo della classe Crenarchaeota, ossida lo zolfo e immagazzina acido solforico nei suoi granuli.
Gli archei del genere Sulfolobus (Figura 1) sono termofili che preferiscono temperature intorno ai 70-80°C e acidofili che preferiscono un pH di 2-3. I Sulfolobus possono vivere in ambienti aerobici o anaerobici. In presenza di ossigeno, Sulfolobus spp. utilizza processi metabolici simili a quelli degli eterotrofi. In ambienti anaerobici, ossidano lo zolfo per produrre acido solforico, che viene immagazzinato in granuli. Sulfolobus spp. è usato nella biotecnologia per la produzione di proteine termostabili e resistenti agli acidi chiamate affitine. Le affitine possono legare e neutralizzare vari antigeni (molecole presenti in tossine o agenti infettivi che provocano una risposta immunitaria da parte del corpo).
Un altro genere, Thermoproteus, è rappresentato da organismi strettamente anaerobi con una temperatura di crescita ottimale di 85 °C. Hanno flagelli e, quindi, sono mobili. Thermoproteus ha una membrana cellulare in cui i lipidi formano un monostrato piuttosto che un bilayer, che è tipico degli archaea. Il suo metabolismo è autotrofico. Per sintetizzare ATP, Thermoproteus spp. riduce lo zolfo o l’idrogeno molecolare e usa l’anidride carbonica o il monossido di carbonio come fonte di carbonio. Si pensa che Thermoproteus sia il genere di Archaea più profondo, e quindi è un esempio vivente di alcune delle prime forme di vita del nostro pianeta.
Pensaci
- Quali tipi di ambienti preferiscono i Crenarchaeota?
Euryarchaeota
Il phylum Euryarchaeota include diverse classi distinte. Le specie delle classi Metanobatteri, Metanococchi e Metanomicrobia rappresentano Archaea che possono essere generalmente descritti come metanogeni. I metanogeni sono unici in quanto possono ridurre l’anidride carbonica in presenza di idrogeno, producendo metano. Possono vivere negli ambienti più estremi e possono riprodursi a temperature che variano da sotto il congelamento all’ebollizione. I metanogeni sono stati trovati in sorgenti calde e nelle profondità del ghiaccio in Groenlandia. Alcuni scienziati hanno anche ipotizzato che i metanogeni possano abitare il pianeta Marte perché la miscela di gas prodotta dai metanogeni assomiglia alla composizione dell’atmosfera marziana.
Si pensa che i metanogeni contribuiscano alla formazione di sedimenti anossici producendo solfuro di idrogeno, creando “gas di palude”. Producono anche gas nei ruminanti e negli esseri umani. Alcuni generi di metanogeni, in particolare Methanosarcina, possono crescere e produrre metano in presenza di ossigeno, anche se la stragrande maggioranza sono strettamente anaerobi.
La classe degli alobatteri (che è stata nominata prima che gli scienziati riconoscessero la distinzione tra Archaea e Bacteria) comprende gli archei alofili (“amanti del sale”). Gli alobatteri richiedono una concentrazione molto alta di cloruro di sodio nel loro ambiente acquatico. La concentrazione richiesta è vicina alla saturazione, al 36%; tali ambienti includono il Mar Morto così come alcuni laghi salati in Antartide e Asia centro-meridionale. Una caratteristica notevole di questi organismi è che effettuano la fotosintesi utilizzando la proteina bacteriorhodopsin, che dà loro, e ai corpi idrici in cui vivono, un bel colore viola (Figura 2).
Figura 2. Gli alobatteri che crescono in questi stagni salati danno loro un distinto colore viola. (credito: modifica del lavoro di Tony Hisgett)
Le specie notevoli di Halobacteria includono Halobacterium salinarum, che potrebbe essere il più antico organismo vivente sulla terra; gli scienziati hanno isolato il suo DNA da fossili che hanno 250 milioni di anni. Un’altra specie, Haloferax volcanii, mostra un sistema molto sofisticato di scambio ionico, che gli permette di equilibrare la concentrazione di sali ad alte temperature.
Pensaci
- Dove vivono gli Halobatteri?
Trovare un legame tra gli archei e le malattie
Gli archei non sono noti per causare alcuna malattia negli esseri umani, negli animali, nelle piante, nei batteri o in altri archei. Anche se questo ha senso per gli estremofili, non tutti gli archaea vivono in ambienti estremi. Molti generi e specie di Archaea sono mesofili, quindi possono vivere nei microbiomi umani e animali, anche se raramente lo fanno. Come abbiamo imparato, alcuni metanogeni esistono nel tratto gastrointestinale umano. Eppure non abbiamo prove affidabili che indichino un arcaico come agente causale di qualsiasi malattia umana.
Ancora, gli scienziati hanno cercato di trovare collegamenti tra malattie umane e archei. Per esempio, nel 2004, Lepp et al. hanno presentato la prova che un archeoide chiamato Methanobrevibacter oralis abita le gengive di pazienti con malattie parodontali. Gli autori hanno suggerito che l’attività di questi metanogeni causa la malattia. Tuttavia, è stato successivamente dimostrato che non c’era alcuna relazione causale tra M. oralis e la parodontite. Sembra più probabile che la malattia parodontale causi un allargamento delle regioni anaerobiche nella bocca che sono successivamente popolate da M. oralis.
Non c’è ancora una buona risposta sul perché gli archei non sembrano essere patogeni, ma gli scienziati continuano a speculare e sperano di trovare la risposta.
Concetti chiave e riassunto
- Gli archei sono microrganismi procarioti unicellulari che differiscono dai batteri nella loro genetica, biochimica ed ecologia.
- Alcuni archei sono estremofili, e vivono in ambienti con temperature estremamente alte o basse, o salinità estrema.
- Solo gli archei sono noti per produrre metano. Gli archei che producono metano sono chiamati metanogeni.
- Gli archei alofili preferiscono una concentrazione di sale vicina alla saturazione e fanno la fotosintesi usando la rodopsina batterica.
- Alcuni archei, in base alle prove fossili, sono tra gli organismi più antichi della terra.
- Gli archei non vivono in gran numero nel microbioma umano e non sono noti per causare malattie.
Scelta multipla
Archaea e batteri sono più simili in termini di ________.
- genetica
- struttura della parete cellulare
- ecologia
- struttura unicellulare
Quale dei seguenti è vero degli archaea che producono metano?
- Riducono l’anidride carbonica in presenza di azoto.
- Vivono negli ambienti più estremi.
- Sono sempre anaerobi.
- Sono stati scoperti su Marte.
Fill in the Blank
________ è un genere di Archaea. La sua temperatura ambientale ottimale va da 70 °C a 80 °C, e il suo pH ottimale è 2-3. Ossida lo zolfo e produce acido solforico.
________ una volta si pensava che fosse la causa della malattia parodontale, ma, più recentemente, il rapporto causale tra questo archeoide e la malattia non è stato confermato.
Pensaci
- Cosa spiega il colore viola degli stagni salati abitati da archei alofili?
- Quali prove supportano l’ipotesi che alcuni archei vivano su Marte?
- Qual è la connessione tra questa palude di metano e gli archei?
(credit: Chad Skeers)
- E. Blochl et al. “Pyrolobus fumani, gen. e sp. nov, rappresenta un nuovo gruppo di Archaea, che estende il limite superiore di temperatura per la vita a 113°C.” Estremofili 1 (1997):14-21. ↵
- T.D. Brock et al. “Sulfolobus: A New Genus of Sulfur-Oxidizing Bacteria Living at Low pH and High Temperature.” Archiv für Mikrobiologie 84 no. 1 (1972):54-68. ↵
- S. Pacheco et al. “Trasferimento di affinità alla proteina arcaica estremofila Sac7d tramite l’inserimento di un CDR”. Protein Engineering Design and Selection 27 no. 10 (2014):431-438. ↵
- R.R. Britt “Crater Critters: Dove potrebbero annidarsi i microbi di Marte”. http://www.space.com/1880-crater-critters-mars-microbes-lurk.html. Acceduto il 7 aprile 2015. ↵
- H. Vreeland et al. “Fatty acid and DA Analyses of Permian Bacterium Isolated From Ancient Salt Crystals Reveal Differences With Their Modern Relatives”. Extremophiles 10 (2006):71-78/ ↵
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