4.6: Архея

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3959

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Опишіть унікальні особливості кожної категорії архей
Поясніть, чому архея не може бути пов'язана з мікробіомами або патологією людини
Наведіть загальні приклади археї, які зазвичай асоціюються з унікальними екологічними середовищами існування

Як і організми в області Бактерії, організми домену Archaea - це всі одноклітинні організми. Однак архей структурно відрізняється від бактерій кількома значущими способами, про що йдеться в Унікальні характеристики прокаріотичних клітин. Підсумовуємо:

Археальна клітинна мембрана складається з ефірних зв'язків з розгалуженими ізопреновими ланцюгами (на відміну від бактеріальної клітинної мембрани, яка має складні зв'язки з нерозгалуженими жирними кислотами).
Стінки клітин археї не вистачає пептидоглікану, але деякі містять структурно схожу речовину під назвою псевдопептидоглікан або псевдомуреїн.
Геноми археї більші і складніші, ніж у бактерій.

Домен Archaea настільки ж різноманітний, як і домен Бактерії, і його представників можна зустріти в будь-якому середовищі існування. Деякі археї - мезофіли, а багато - екстремофіли, вважаючи за краще екстремально жарку або холод, надзвичайну солоність або інші умови, ворожі більшості інших форм життя на землі. Їх метаболізм пристосований до суворих умов, і вони можуть виконувати метаногенез, наприклад, який бактерії та еукаріоти не можуть.

Розмір і складність архейного генома ускладнює класифікацію. Більшість таксономістів погоджуються, що в межах Археї в даний час існує п'ять основних філ: Кренархеота, Еріархеота, Корахеота, Наноархеота та Таумархеота. Ймовірно, існує багато інших архейних груп, які ще не систематично вивчалися і не класифікувалися.

За кількома винятками, археї не присутні в мікробіоті людини, і в даний час відомо, що жодна з них не пов'язана з інфекційними захворюваннями у людей, тварин, рослин або мікроорганізмів. Однак багато хто відіграє важливу роль у навколишньому середовищі і, таким чином, може мати непрямий вплив на здоров'я людини.

Крена Археота

Crenarchaeota - клас археї, який надзвичайно різноманітний, містить пологи та види, які сильно відрізняються своєю морфологією та вимогами до зростання. Всі Crenarchaeota є водними організмами, і вони вважаються найпоширенішими мікроорганізмами в океанах. Більшість, але не всі, Crenarchaeota є гіпертермофілами; деякі з них (зокрема, рід Pyrolobus) здатні рости при температурі до 113° C. ¹

Археї роду Sulfolobus (рис.\(\PageIndex{1}\)) - це термофіли, які віддають перевагу температурі близько 70-80° C, і ацидофіли, які віддають перевагу рН 2-3. ² Сульфолоб може жити в аеробних або анаеробних середовищах. У присутності кисню Sulfolobus spp. використовують обмінні процеси, подібні до процесів гетеротрофів. В анаеробних середовищах вони окислюють сірку з утворенням сірчаної кислоти, яка зберігається в гранулах. Sulfolobus spp. використовуються в біотехнології для виробництва термостабільних і кислотостійких білків, званих аффітинів. ³ Аффітини можуть зв'язувати і нейтралізувати різні антигени (молекули, що містяться в токсинів або інфекційних агентах, які провокують імунну відповідь з боку організму).

Мікрограф сферичної осередку з ромбоподібними структурами всередині неї. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): *Сульфолоб*, археон класу Crenarchaeota, окислює сірку і зберігає сірчану кислоту в її гранулах.

Інший рід, Thermopteus, представлений строго анаеробними організмами з оптимальною температурою росту 85 °С, мають джгутики і, отже, рухливі. Термопротеус має клітинну мембрану, в якій ліпіди утворюють швидше моношар, ніж бішар, що характерно для архей. Метаболізм його автотрофний. Для синтезу АТФ Thermopteus spp. зменшують сірку або молекулярний водень і використовують вуглекислий газ або чадний газ як джерело вуглецю. Термопротеус вважається найглибшим розгалуженим родом Archaea і, таким чином, є живим прикладом деяких ранніх форм життя нашої планети.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Яким типам середовищ віддає перевагу Кренархеота?

Еурія — Археота

Phylum Euryarchaeota включає в себе кілька різних класів. Види в класах метанобактерії, метанококи та метаномікроби представляють архею, яку зазвичай можна описати як метаногени. Метаногени унікальні тим, що можуть зменшувати вуглекислий газ в присутності водню, виробляючи метан. Вони можуть жити в самих екстремальних умовах і можуть розмножуватися при температурах, що варіюються від нижче замерзання до кипіння. Метаногени були знайдені в гарячих джерелах, а також глибоко під льодом в Гренландії. Деякі вчені навіть висунули гіпотезу, що метаногени можуть населяти планету Марс, оскільки суміш газів, що виробляються метаногенами, нагадує склад марсіанської атмосфери. ⁴

Вважається, що метаногени сприяють утворенню аноксичних опадів, виробляючи сірководень, роблячи «болотний газ». Вони також виробляють гази у жуйних тварин і людини. Деякі пологи метаногенів, зокрема Methanosarcina, можуть рости і виробляти метан у присутності кисню, хоча переважна більшість є суворими анаеробами.

Клас Halobacteria (який був названий до того, як вчені визнали відмінність між археєю і бактеріями) включає галофільні («сольолюбні») архей. Галобактерії вимагають дуже високих концентрацій хлориду натрію у водному середовищі. Необхідна концентрація близька до насичення, 36%; такі середовища включають Мертве море, а також деякі солоні озера в Антарктиді та південно-центральній Азії. Однією з чудових особливостей цих організмів є те, що вони здійснюють фотосинтез за допомогою білка бактеріородопсину, який дає їм, і водойм, які вони населяють, красивого фіолетового кольору (рис.\(\PageIndex{2}\)).

Фотографія червоних, білих і рожевих полів. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Галобактерії, що ростуть в цих соляних ставках, надають їм виразний фіолетовий колір. (Кредит: модифікація роботи Тоні Хісгетта)

Відомі види галобактерій включають Halobacterium salinarum, який може бути найдавнішим живим організмом на землі; вчені виділили його ДНК з скам'янілостей, яким 250 мільйонів років. ⁵ Інший вид, Haloferax volcanii, демонструє дуже складну систему іонного обміну, яка дозволяє йому збалансувати концентрацію солей при високих температурах.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Де живуть галобактерії?

Пошук зв'язку між археєю та хворобою

Археї, як відомо, не викликають будь-яких захворювань у людей, тварин, рослин, бактерій або в інших архей. Хоча це має сенс для екстремофілів, не всі археї живуть в екстремальних умовах. Багато пологів і видів архей є мезофілами, тому вони можуть жити в мікробіомах людини і тварин, хоча вони рідко це роблять. Як ми дізналися, деякі метаногени існують в шлунково-кишковому тракті людини. І все ж у нас немає достовірних доказів, що вказують на будь-якого архея як на збудника будь-якого захворювання людини.

Тим не менш, вчені намагалися знайти зв'язки між хворобою людини і археєю. Наприклад, в 2004 році Lepp et al. представили докази того, що архея під назвою Methanobrevibacter oralis населяє ясна пацієнтів з пародонтозом. Автори припустили, що активність цих метаногенів викликає захворювання. ⁶ Однак згодом було показано, що між M. oralis та пародонтитом не було причинно-наслідкового зв'язку. Здається більш імовірним, що пародонтоз викликає збільшення анаеробних областей у роті, які згодом заселяються M. oralis. ⁷

Не залишається хорошої відповіді щодо того, чому археї не здаються патогенними, але вчені продовжують спекулювати і сподіватися знайти відповідь.

Резюме

Археї - це одноклітинні прокаріотичні мікроорганізми, які відрізняються від бактерій своєю генетикою, біохімією та екологією.
Деякі археї - екстремофіли, що живуть в середовищах з надзвичайно високими або низькими температурами, або надзвичайною солоністю.
Відомо, що лише археї виробляють метан. Археї, що продукують метану, називають метаногенами.
Галофільні археї воліють концентрацію солі, близьку до насичення, і виконують фотосинтез з використанням бактеріородопсину.
Деякі археї, засновані на викопних даних, є одними з найдавніших організмів на землі.
Археї не живуть у великій кількості в мікробіомах людини і, як відомо, не викликають захворювання.

Виноски

Е. Блохль та ін. «Pyrolobus fumani, gen. and sp. nov., являє собою нову групу Archaea, продовжуючи верхню межу температури для життя до 113 ^° С.» Екстремофіли 1 (1997) :14—21.
Т.Д. Брок та ін. «Сульфолоб: новий рід сірчаноокислювальних бактерій, що живуть при низькому рН і високій температурі». Архів мікробіології 84 № 1 (1972) :54—68.
С.Пачеко та ін. «Передача спорідненості до археального екстремофільного білка Sac7d шляхом введення CDR». Білкова інженерія проектування та відбір 27 № 10 (2014) :431-438.
Р.Р. Брітт «Кратерні тварі: Де можуть ховатися мікроби Марса». www.space.com/1880-crater-cri... obes-lurk.html. Доступ до 7 квітня 2015 року.
Г.Вріланд та ін. «Аналіз жирних кислот та DA пермських бактерій, виділених із стародавніх кристалів солі, виявляють відмінності від їхніх сучасних родичів». Екстремофіли 10 (2006) :71—78.
P.W. Лепп та ін. «Метаногенна архея та захворювання ясен людини». Праці Національних академій наук Сполучених Штатів Америки 101 № 16 (2004) :6176—6181.
Амінов Р.І. «Роль археї в хворобах людини». Межі в клітинній та інфекційній мікробіології 3 (2013) :42.