4.6: Archaea

Objetivos de aprendizaje

• Describir las características únicas de cada categoría de Archaea
• Explicar por qué las arqueas podrían no estar asociadas con microbiomas humanos o patología
• Dar ejemplos comunes de arqueas comúnmente asociadas con hábitats ambientales únicos

Al igual que los organismos en el dominio Bacterias, los organismos del dominio Archaea son todos organismos unicelulares. Sin embargo, las arqueas difieren estructuralmente de las bacterias en varias formas significativas, como se discute en Características únicas de las células procariotas. Para resumir:

• La membrana celular arqueal está compuesta por enlaces éter con cadenas ramificadas de isopreno (a diferencia de la membrana celular bacteriana, que tiene enlaces éster con ácidos grasos no ramificados).
• Las paredes celulares arqueales carecen de peptidoglicano, pero algunas contienen una sustancia estructuralmente similar llamada pseudopeptidoglicano o pseudomureína.
• Los genomas de Archaea son más grandes y complejos que los de las bacterias.

El dominio Archaea es tan diverso como el dominio Bacterias, y sus representantes se pueden encontrar en cualquier hábitat. Algunas arqueas son mesófilos, y muchas son extremófilas, prefiriendo calor o frío extremo, salinidad extrema, u otras condiciones que son hostiles a la mayoría de las otras formas de vida en la tierra. Su metabolismo se adapta a los ambientes hostiles, y pueden realizar metanogénesis, por ejemplo, que las bacterias y los eucariotas no pueden.

El tamaño y complejidad del genoma arqueal dificulta su clasificación. La mayoría de los taxonomistas coinciden en que dentro de las Archaea, actualmente hay cinco filos principales: Crenarchaeota, Euryarchaeota, Korarchaeota, Nanoarchaeota y Thaumarchaeota. Probablemente hay muchos otros grupos arqueales que aún no han sido estudiados y clasificados sistemáticamente.

Con pocas excepciones, las arqueas no están presentes en la microbiota humana, y actualmente no se sabe que ninguna esté asociada con enfermedades infecciosas en humanos, animales, plantas o microorganismos. Sin embargo, muchos juegan un papel importante en el medio ambiente y, por lo tanto, pueden tener un impacto indirecto en la salud humana.

Crenarchaeota

Crenarchaeota es una clase de Archaea que es extremadamente diversa, que contiene géneros y especies que difieren enormemente en su morfología y requisitos para el crecimiento. Todos los Crenarchaeota son organismos acuáticos, y se cree que son los microorganismos más abundantes en los océanos. La mayoría, pero no todos, Crenarchaeota son hipertermófilos; algunos de ellos (notablemente, el género Pyrolobus) son capaces de crecer a temperaturas de hasta 113 °C. ¹

Las arqueas del género Sulfolobus (Figura\(\PageIndex{1}\)) son termófilos que prefieren temperaturas alrededor de 70—80°C y acidófilos que prefieren un pH de 2—3. ² Sulfolobus puede vivir en ambientes aeróbicos o anaeróbicos. En presencia de oxígeno, Sulfolobus spp. utiliza procesos metabólicos similares a los de los heterótrofos. En ambientes anaerobios, oxidan azufre para producir ácido sulfúrico, el cual se almacena en gránulos. Sulfolobus spp. se utilizan en biotecnología para la producción de proteínas termoestables y resistentes a los ácidos llamadas afitinas. ³ Las afitinas pueden unirse y neutralizar diversos antígenos (moléculas que se encuentran en toxinas o agentes infecciosos que provocan una respuesta inmune del organismo).

Figura\(\PageIndex{1}\): Sulfolobus, un arqueón de la clase Crenarchaeota, oxida azufre y almacena ácido sulfúrico en sus gránulos.

Otro género, Thermoproteus, está representado por organismos estrictamente anaerobios con una temperatura de crecimiento óptima de 85 °C, tienen flagelos y, por lo tanto, son móviles. Thermoproteus tiene una membrana celular en la que los lípidos forman una monocapa en lugar de una bicapa, lo que es típico de las arqueas. Su metabolismo es autótrofico. Para sintetizar ATP, Thermoproteus spp. reduce el azufre o hidrógeno molecular y usa dióxido de carbono o monóxido de carbono como fuente de carbono. Se cree que Thermoproteus es el género de mayor ramificación de Archaea y, por lo tanto, es un ejemplo vivo de algunas de las primeras formas de vida de nuestro planeta.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Qué tipos de ambientes prefiere Crenarchaeota?

Euryarchaeota

El filo Euryarchaeota incluye varias clases distintas. Las especies de las clases Methanobacteria, Metanococci y Methanomicrobia representan Archaea que generalmente pueden describirse como metanógenos. Los metanógenos son únicos en el sentido de que pueden reducir el dióxido de carbono en presencia de hidrógeno, produciendo metano. Pueden vivir en los ambientes más extremos y pueden reproducirse a temperaturas que varían desde debajo del punto de congelación hasta ebullición. Los metanógenos se han encontrado en aguas termales así como en las profundidades del hielo en Groenlandia. Algunos científicos incluso han planteado la hipótesis de que los metanógenos pueden habitar en el planeta Marte porque la mezcla de gases producidos por los metanógenos se asemeja a la composición de la atmósfera marciana. ⁴

Se cree que los metanógenos contribuyen a la formación de sedimentos anóxicos al producir sulfuro de hidrógeno, haciendo “gas pantano”. También producen gases en rumiantes y humanos. Algunos géneros de metanógenos, notablemente Methanosarcina, pueden crecer y producir metano en presencia de oxígeno, aunque la gran mayoría son anaerobios estrictos.

La clase Halobacteria (que fue nombrada antes de que los científicos reconocieran la distinción entre Archaea y Bacteria) incluye arqueas halófilas (“amantes de la sal”). Las halobacterias requieren concentraciones muy altas de cloruro de sodio en su medio acuático. La concentración requerida es cercana a la saturación, en 36%; tales ambientes incluyen el Mar Muerto así como algunos lagos salados en la Antártida y el centro-sur de Asia. Una característica notable de estos organismos es que realizan fotosíntesis utilizando la proteína bacteriorodopsina, lo que les da, y a los cuerpos de agua que habitan, un hermoso color púrpura (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): Las halobacterias que crecen en estos estanques salinos les dan un color púrpura distinto. (crédito: modificación de obra de Tony Hisgett)

Entre las especies notables de Halobacterias se encuentran Halobacterium salinarum, que puede ser el organismo vivo más antiguo de la tierra; los científicos han aislado su ADN de fósiles que tienen 250 millones de años de antigüedad. ⁵ Otra especie, Haloferax volcanii, presenta un sistema muy sofisticado de intercambio iónico, lo que le permite equilibrar la concentración de sales a altas temperaturas

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

¿Dónde vive la Halobacteria?

Encontrar un vínculo entre arqueas y enfermedades

No se sabe que las arqueas causen ninguna enfermedad en humanos, animales, plantas, bacterias o en otras arqueas. Aunque esto tiene sentido para los extremófilos, no todas las arqueas viven en ambientes extremos. Muchos géneros y especies de Archaea son mesófilos, por lo que pueden vivir en microbiomas humanos y animales, aunque rara vez lo hacen. Como hemos aprendido, algunos metanógenos existen en el tracto gastrointestinal humano. Sin embargo, no tenemos evidencia confiable que apunte a ningún arqueeo como el agente causante de cualquier enfermedad humana.

Aún así, los científicos han intentado encontrar vínculos entre la enfermedad humana y las arqueas. Por ejemplo, en 2004, Lepp et al. presentaron evidencia de que un arqueano llamado Methanobrevibacter oralis habita en las encías de pacientes con enfermedad periodontal. Los autores sugirieron que la actividad de estos metanógenos causa la enfermedad. ⁶ Sin embargo, posteriormente se demostró que no había relación causal entre M. oralis y periodontitis. Parece más probable que la enfermedad periodontal provoque un agrandamiento de las regiones anaeróbicas en la boca que posteriormente son pobladas por M. oralis. ⁷

No queda una buena respuesta sobre por qué las arqueas no parecen ser patógenas, pero los científicos siguen especulando y esperan encontrar la respuesta.

Resumen

• Las arqueas son microorganismos unicelulares, procariotas que difieren de las bacterias en su genética, bioquímica y ecología.
• Algunas arqueas son extremófilas, viviendo en ambientes con temperaturas extremadamente altas o bajas, o salinidad extrema.
• Solo se sabe que las arqueas producen metano. Las arqueas productoras de metano se llaman metanógenos.
• Las arqueas halófilas prefieren una concentración de sal cercana a la saturación y realizan fotosíntesis usando bacteriorodopsina.
• Algunas arqueas, basadas en evidencia fósil, se encuentran entre los organismos más antiguos de la tierra.
• Las arqueas no viven en grandes cantidades en microbiomas humanos y no se sabe que causen enfermedades.

Notas al pie

1. E. Blochl et al. “Pyrolobus fumani, gen. y sp. nov., representa un nuevo grupo de Archaea, extendiendo el límite superior de temperatura de por vida a 113 ^° C.” Extremófilos 1 (1997) :14—21.
2. T.D. Brock et al. “Sulfolobus: un nuevo género de bacterias oxidantes de azufre que viven a pH bajo y alta temperatura”. Archiv für Mikrobiologie 84 núm. 1 (1972) :54—68.
3. S. Pacheco et al. “Transferencia de Afinidad a la Proteína Arqueal Extremófila Sac7d por Inserción de una CDR”. Diseño y Selección de Ingeniería en Proteínas 27 núm. 10 (2014) :431-438.
4. R.R. Britt “Critters del cráter: Donde los microbios de Marte podrían acechar.” www.space.com/1880-crater-cri... obes-lurk.html. Consultado el 7 de abril de 2015.
5. H. Vreeland et al. “Los análisis de ácidos grasos y DA de bacterias pérmicas aisladas de cristales de sal antiguos revelan diferencias con sus parientes modernos”. Extremófilos 10 (2006) :71—78.
6. P.W. Lepp y col. “Arqueas metanogénicas y enfermedad de las encías humanas”. Actas de las Academias Nacionales de Ciencias de los Estados Unidos de América 101 núm. 16 (2004) :6176—6181.
7. R.I. Aminov “Papel de las arqueas en la enfermedad humana”. Fronteras en Microbiología Celular e Infección 3 (2013) :42.