Domínio Archaea: origem, características, classificação, nutrição - Ciência - 2023

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o domínio arquea ou reino archaea representa um dos três domínios da vida. É composto de organismos procarióticos unicelulares microscópicos muito semelhantes e, ao mesmo tempo, muito diferentes das bactérias e dos eucariotos em muitos aspectos.

A existência desse grupo foi demonstrada há pouco tempo, mais ou menos no final da década de 1970, por um grupo de pesquisadores liderados por Carl Woese, que considerou que a vida poderia ser dividida em eucariotos e dois tipos de organismos procarióticos: bactérias e archaea, também chamada de archaebacteria.

Os estudos de Woese et al., Foram baseados em análises filogenéticas comparativas entre as sequências de RNA ribossomal de todos os seres vivos, e a noção dos três domínios é mantida, apesar do imenso número de sequências que continuam sendo adicionadas aos catálogos. RNA ribossomal (bases de dados).

Esses estudos conseguiram vislumbrar a possibilidade de que as archaea sejam um grupo irmão dos eucariotos, apesar de suas semelhanças com suas contrapartes procariotas (bactérias), razão pela qual podem representar o "elo perdido" entre procariotos e eucariotos.

Embora poucos sejam os que se dedicam ao estudo das arquéias e esse grupo seja amplamente ignorado por muitos estudantes de biologia, acredita-se que esses microrganismos representem mais de 20% de todos os procariotos existentes nas águas oceânicas, entre 1 e 1 5% em solos e o grupo mais dominante em sedimentos marinhos e habitats geotérmicos.

Além disso, as arquéias são caracterizadas por viverem em condições "extremas" como fontes termais, salinas, ambientes com temperaturas muito altas e pH muito ácido, locais inóspitos onde a concentração de oxigênio é muito baixa ou nula, etc.

Esses microrganismos são de grande importância ecológica, pois participam de muitos dos ciclos biogeoquímicos, contribuindo para o ciclo do carbono, nitrogênio e enxofre, por exemplo.

Origem evolutiva errelações filogenéticas

Existem três teorias sobre a possível origem dos três domínios da vida propostas por Woese e colaboradores:

As bactérias divergiram primeiro, formando uma linhagem que produziu arquéias e eucariotos
Uma linhagem "proto-eucariótica" divergiu de uma linhagem completamente procariótica (a de bactérias e arquéias)
Archaea divergiu de uma linhagem que mais tarde deu origem a eucariotos e bactérias

Em 1989, dois pesquisadores, Gogarten e Iwabe, propuseram independentemente uma maneira de analisar todos os organismos vivos filogeneticamente (o que é impossível de fazer a partir de estudos de sequência de um único gene).

Iwabe fez uso da análise das sequências de genes produzidos em eventos "precoces" de duplicação gênica, "enraizando" a árvore da vida a partir da comparação da sequência de genes parálogos que codificam fatores de alongamento.

Fatores de alongamento são proteínas de ligação a GTP que participam da tradução, especificamente na ligação de moléculas de RNA de transferência amioaciladas a ribossomos e na translocação de RNA de transferência de peptidil.

De acordo com os resultados das comparações entre as sequências dos três grupos, os genes que codificam os fatores de alongamento nas arquéias são mais semelhantes aos dos organismos eucarióticos do que aos das bactérias.

Gogarten, por outro lado, comparou as sequências de outros genes produzidos por eventos de duplicação, especificamente aqueles que codificam para as subunidades do tipo V e F da enzima ATPase encontrada em arquéias / eucariotos e bactérias, respectivamente.

Os resultados obtidos por Gogarten, como os observados acima, demonstram que esses genes em arqueas (que provavelmente surgiram de eventos de duplicação genética) estão mais intimamente relacionados aos eucariotos do que aos seus equivalentes bacterianos.

Esses argumentos também foram corroborados pela análise realizada por outros pesquisadores muitos anos depois, que usaram sequências de outra família de genes duplicados, a dos RNAs de transferência das aminoacil sintetases, fortalecendo a concepção de "proximidade" entre arquéias e eucariotos.

Árvore de Woese

Woese usou as análises feitas por Gogarten e Iwabe e outros estudos relacionados às sequências de RNA ribossômico para propor sua “versão” da árvore da vida, onde fica claro que arquéias e eucariotos constituem grupos “irmãos”, separados dos outros. bactérias, embora as sequências de RNA ribossomal entre arquéias e bactérias sejam mais semelhantes entre si.

Características gerais do domínio arquea

As arquéias são conhecidas por algumas características muito particulares (próprias) e também por apresentarem "combinações" de características que antes se pensavam serem exclusivas de bactérias ou organismos eucarióticos.

- Como bactérias, archaea são organismos procarióticos, isto é, que dentro do material genético não está envolto por uma membrana (não têm núcleo) e não há organelas membranosas citoplasmáticas.

- São geralmente microrganismos de tamanho semelhante ao das bactérias, seu DNA está na forma de um cromossomo circular e alguns fragmentos circulares menores conhecidos como plasmídeos.

- Compartilham a presença de enzimas topoisomerase e girase semelhantes com as bactérias, o que representa uma evidência “indireta” da “proximidade” em termos da estrutura cromossômica de ambos os grupos de organismos.

- No entanto, os genes das archaea apresentam grande homologia com muitos genes eucarióticos, especialmente aqueles cuja descoberta deriva de estudos com antibióticos.

- A maquinaria de replicação, transcrição Y tradução de eucariotos e arquéias é muito semelhante, especialmente no que diz respeito à enzima DNA polimerase.

- Seus genes codificadores de proteínas não tem introns (mas outros fazem), o oposto dos genes eucarióticos. Além disso, as arqueas possuem proteínas semelhantes às histonas associadas ao seu DNA, presentes em eucariotos e ausentes em bactérias.

- São caracterizados pela presença de éter lipídico isoprenílico em suas membranas celulares, bem como pela ausência de acil-éster lipídico e uma sintetase de ácidos graxos.

- Uma das subunidades de sua enzima RNA polimerase está dividida e seus RNAs mensageiros, assim como nas bactérias, não possuem “capuzes” (do inglês indivíduo) em suas extremidades 5 '.

- Eles têm uma faixa muito específica de sensibilidade a antibióticos e possuem enzimas de restrição tipo II muito semelhantes aos que foram descritos para bactérias.

- Outra característica importante tem a ver com o fato de grande parte das arquéias possuir parede celular, mas ao contrário das bactérias, não é composto de peptidoglicano.

Características de seus lipídios de membrana

Os lipídios da membrana das arquéias diferem consideravelmente daqueles encontrados em bactérias e organismos eucarióticos, e isso tem sido considerado uma característica diferencial muito importante.

A principal diferença entre essas moléculas anfipáticas (com uma extremidade polar hidrofílica e uma apolar hidrofóbica) é que a ligação entre a porção de glicerol e as cadeias de ácidos graxos nos lipídeos das arquéias é por meio de uma ligação de éter, enquanto na bactérias e eucariotos correspondem a uma ligação éster.

Outra diferença importante é que as arquéias possuem lipídios com ácidos graxos caracterizados pela presença de cadeias isoprenil altamente ramificadas com grupos metil, enquanto os eucariotos e as bactérias possuem predominantemente ácidos graxos de cadeia não ramificada.

Os lipídios de eucariotos e bactérias são "construídos" em um esqueleto de glicerol ao qual as cadeias de ácidos graxos são esterificadas nas posições correspondentes aos átomos de carbono 1 e 2, mas em arquea glicerol éteres contêm ácidos gordo nas posições 2 e 3.

Outra diferença com relação aos lipídios de membrana tem a ver com sua via biossintética, uma vez que algumas enzimas também são diferentes nas arquéias.

Por exemplo, algumas espécies de arquéias possuem uma enzima preniltransferase bifuncional, que é responsável por fornecer os precursores tanto para a síntese de esqualeno quanto para a síntese de isoprenóides gliceril-lipídicos. Em bactérias e eucariotos, essas funções são realizadas por enzimas separadas.

Classificação de arquéias

De acordo com os dados das sequências das pequenas subunidades dos RNAs ribossômicos das arquéias, esse grupo foi dividido principalmente em dois “filos”, que são conhecidos como filo Cinandochaeota e a borda Euryarchaeota, cujos membros são, acima de tudo, archaea cultivados em vitro.

No entanto, muitas das arquéias recentemente descritas não foram cultivadas em vitro e eles são apenas remotamente relacionados a sequências que foram isoladas de espécies mantidas em laboratórios.

Beira Crenochaeota

Este grupo consiste principalmente de espécies de archaea hipertermofílicas e termoacidofílicas, ou seja, aqueles gêneros de archaea que habitam ambientes inóspitos com condições térmicas e de pH extremas.

É composto por uma única classe taxonômica, que é conhecida como Thermoprotei, dentro das quais estão as seguintes cinco ordens taxonômicas: Acidilobal, Desulfurococcales, Fervidicoccales, Sulfolobales Y Thermoproteales.

Um exemplo de alguns dos gêneros pertencentes a essas classes podem ser os gêneros Sulfolobus, Desulforococcus, Pyrodictium, Thermoproteus Y Thermofilum.

Beira Euryarchaeota

Os membros deste grupo têm uma gama ecológica um pouco mais ampla, podendo ser encontrados nele algumas espécies hipertermofílicas, metanogênicas, halofílicas e até mesmo termofílicas metanogênicas, arquéias desnitrificantes, redutoras de enxofre, oxidantes de ferro e alguns organotróficos.

As classes taxonômicas descritas para Euriarcheotes são oito e são conhecidas como Methanopyri, Metanococos, Metanobactéria, Metanomicrobia, Archaeglobi, Halobactérias, Termococos Y Thermoplasmata.

Muitas das arquéias pertencentes a este grupo estão amplamente distribuídas, sendo encontradas em solos, sedimentos e águas marinhas, bem como nos ambientes extremos descritos.

Beira Thaumarchaeota

Este filo foi definido relativamente recentemente e muito poucas das espécies pertencentes a ele foram cultivadas em vitro, tão pouco se sabe sobre esses organismos.

Todos os membros do filo obtêm sua energia a partir da oxidação da amônia e são distribuídos globalmente em corpos de água doce, solos, sedimentos e águas termais.

Lâminas Korarchaeota, Aigarchaeota Y Goarchaeota

Alguns pesquisadores versados na técnica, com base na análise de sequências genômicas, determinaram recentemente a existência de três filos adicionais no reino Archaea, embora as espécies propostas para esses filos ainda não tenham sido isoladas em laboratório.

Em geral, membros desses filos foram encontrados sob a superfície de muitos ecossistemas terrestres e marinhos, mas também em fontes termais e sistemas hidrotérmicos em alto mar.

Nutrição

A maioria das espécies de arqueas com organismos quimiotróficos, ou seja, são capazes de usar compostos inorgânicos altamente reduzidos para obter a energia de que precisam para "mover" sua maquinaria metabólica, especialmente aquela que tem a ver com a respiração.

A "especificidade" das moléculas inorgânicas que usam como substratos para produzir energia depende do ambiente onde cada espécie em particular se desenvolve.

Outras arquéias, assim como plantas, algas, briófitas e cianobactérias, são capazes de fotossíntese, ou seja, utilizam e convertem a energia luminosa dos raios solares em energia química utilizável.

Foi demonstrado que algumas arquéias habitam o estômago (rúmen) de alguns animais ruminantes (entre os quais estão vacas, ovelhas, cabras, etc.), razão pela qual são classificadas como "arquéias mutualísticas", uma vez que consomem parte da fibra que esses animais ingerem e colaboram com a digestão de alguns de seus componentes.

Reprodução

Como as bactérias, as archaea são organismos unicelulares cuja reprodução é exclusivamente assexuada. Os principais mecanismos descritos a partir das espécies mantidos em vitro estão:

- Fissão binária, onde cada arco é "dividido" ao meio para criar duas células idênticas

- Brotamento ou "fragmentação", em que as células liberam "fragmentos" ou "porções" de si mesmas que são capazes de formar células novas geneticamente idênticas.

Habitat

As arquéias têm sido relacionadas principalmente a ambientes “extremos”, ou seja, aqueles locais naturais que impõem sérias restrições ao desenvolvimento normal dos seres vivos, principalmente em termos de temperatura, pH, salinidade, anaerobiose (ausência de oxigênio), etc. ; é por isso que seu estudo é extremamente interessante, pois eles têm adaptações únicas.

No entanto, as técnicas de análise molecular mais recentes para a identificação de espécies não cultivadas de microrganismos (isoladas e mantidas em vitro em laboratório) permitiram detectar a presença de arquéias em ambientes cotidianos como o solo, o rúmen de alguns animais, águas oceânicas e lagos, entre outros.

No entanto, a maioria das arquéias que foram identificadas na natureza são classificadas de acordo com o habitat que ocupam, os termos "hipertermófilos", "acidófilos" e "termoacidófilos extremos", "halófilos extremos" são familiares na literatura. e "metanogênios".

Os ambientes ocupados por arquéias hipertermofílicas são aqueles caracterizados por temperaturas constantes muito elevadas (bem acima das temperaturas "normais" às quais a maioria dos seres vivos está sujeita).

Os ambientes onde habitam acidófilos extremos, por outro lado, são aqueles onde o pH é muito baixo e estes também podem ser distinguidos por altas temperaturas (termoacidófilos extremos), enquanto os ambientes de halófilos extremos são aqueles onde a concentração de sais é muito alta .

As arquéias metanogênicas vivem na ausência de oxigênio ou anaerobiose, em ambientes onde podem usar outras moléculas como aceptores de elétrons em seu metabolismo e são capazes de produzir metano como um "produto residual" metabólico.

Exemplos de espécies de archaea

Existem inúmeras espécies conhecidas de arquéias, mas apenas algumas delas serão mencionadas aqui.

Ignicoccus hospitalis Y Nanoarchaeum equitans

I. hospitalis Pertence ao gênero de crenarqueotes conhecido como Ignicoccus e é um organismo quimiolitoautotrófico que usa hidrogênio molecular como doador de elétrons para reduzir o enxofre. Esta espécie possui o menor genoma de todas as arquéias descritas in vitro até o momento.

I. hospitalis se comporta como um "parasita" ou "simbionte" de outra espécie: Nanoarchaeum equitans. Este último não foi cultivado em vitro e seu genoma é o menor de todas as arquéias não cultivadas que foram descritas.

Vive principalmente em ambientes marinhos e não possui genes para a biossíntese de lípidos, aminoácidos, nucleótidos ou cofactores, pelo que as evidências experimentais sugerem que obtém estas moléculas graças à sua interação com I. hospitalis.

Acidilobus saccharovorans

Esta é uma espécie de arquea anaeróbia termoacidofílica, ou seja, vive em ambientes pobres ou totalmente desprovidos de oxigênio, com altas temperaturas e pH extremamente baixo. Foi encontrado pela primeira vez em corpos termais terrestres em Kamchatka.

Staphylothermus hellenicus

Esta archa pertence à orla das Crenarqueotas, especificamente à ordem dos Desulfurococcales. É uma arquéia heterotrófica hipertermofílica (vive em ambientes muito quentes) e requer enxofre para energia.

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