¿Cuáles son las actividades biológicas de las bacterias?

El concepto de arqueas fue propuesto por Carl Wuss y George Fox en 1977 porque se diferencian de otros procariotas en el árbol filogenético del 16SrRNA. Estos dos grupos de procariotas se definieron originalmente como Archaea y Eubacteria. Woese creía que eran dos organismos fundamentalmente diferentes, por lo que los renombró Archaea y Bacteria, que junto con los eucariotas formaron el sistema de los tres reinos de los seres vivos.

[editar]Archaea, Bacterias y Eucariotas

Archaea está cerca de otros procariotas en muchos aspectos en términos de estructura celular y metabolismo. Entre los dos procesos centrales de la biología molecular, la transcripción genética no muestra claramente las características de las bacterias, pero está muy cerca de las de los eucariotas. Por ejemplo, la traducción de arqueas utiliza factores de iniciación y alargamiento en eucariotas, y el proceso de traducción requiere la proteína de unión a la caja TATA y TFIIB en eucariotas.

Las arqueobacterias tienen algunas otras características. A diferencia de la mayoría de las bacterias, tienen una sola membrana celular y no tienen pared celular de peptidoglicano. Además, los lípidos de la mayoría de las membranas de las células bacterianas y eucariotas están compuestos principalmente de ésteres de glicerilo, mientras que los lípidos de la membrana de las arqueas están compuestos de éteres de glicerilo. Estas diferencias pueden ser adaptaciones a ambientes de temperaturas ultraaltas. La composición y el proceso de formación de los flagelos de las arqueas también son diferentes de los de las bacterias.

Imagen: PhylogeneticTree.jpg Árbol filogenético basado en secuencias de ARNr que muestra tres ramas distintas: Bacterias, Archaea y Eukaryotes)[editar] hábitat.

Muchas arqueas viven en ambientes extremos. Algunos viven a temperaturas extremadamente altas (normalmente superiores a 100 °C), como los géiseres o las fumarolas negras del fondo marino. Otros viven en ambientes muy fríos o en agua muy salada, muy ácida o muy alcalina. Sin embargo, algunas arqueas son neutras y se pueden encontrar en pantanos, aguas residuales y suelos. Muchas arqueas productoras de metano viven en el tracto digestivo de animales, como rumiantes, termitas o humanos. Las arqueas son generalmente inofensivas para otros organismos y se desconocen las arqueas patógenas.

[editar] Morfología

El diámetro de una única célula de arquea oscila entre 0,1 y 15 micras, y algunas especies forman grupos celulares o fibras con una longitud de hasta 200 micras. Pueden tener diversas formas, como esferas, varillas, espirales, hojas o cuadrados. Tienen muchos tipos metabólicos. Vale la pena señalar que las halobacterias pueden usar la energía luminosa para producir ATP, aunque las arqueas no pueden usar la conducción de cadenas de electrones para lograr la fotosíntesis como otros organismos que usan energía luminosa.

[Editar] Evolución y Clasificación

Del árbol filogenético del ARNr, Archaea se puede dividir en dos tipos, Cyperarchaeota y Euryarchaeota. Además, las dos especies no identificadas se componen de algunas muestras ambientales y de la especie exótica Nanoarchaeum equitans descubierta por Karl Stetter en 2002.

Woese cree que las bacterias, las arqueas y los eucariotas representan descendientes de un ancestro lejano con un mecanismo genético simple. Esta suposición se refleja en el nombre "archaea" ("archaea" en griego). Luego llamó formalmente a estas tres ramas los tres reinos, cada uno de los cuales consta de varios campos. Esta clasificación se hizo muy popular más tarde, pero la idea de organismos distantes no fue aceptada universalmente. Algunos biólogos creen que las arqueas y los eucariotas descienden de bacterias especializadas.

La relación entre Archaea y Eucariotas sigue siendo una cuestión importante. Además de las similitudes mencionadas anteriormente, muchos otros árboles genéticos también combinan los dos. En algunos árboles, los eucariotas están más cerca de las arqueas que de las arqueas, pero la química de la biopelícula dice lo contrario. Sin embargo, se han encontrado genes similares a las arqueas en algunas bacterias, como el astrágalo, lo que complica estas relaciones. Algunas personas creen que los eucariotas se originaron a partir de la fusión de arqueas y bacterias, que se convirtieron en núcleo y citoplasma respectivamente. Esto explica muchas similitudes genéticas, pero difícilmente explica la estructura celular.

Actualmente se han secuenciado 22 genomas de arqueas y otros 15 están en proceso.

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Taxonomía de arqueas

[editar]Suplemento

En la década de 1970, Carl Dr. Uth fue pionero el estudio de las relaciones evolutivas de los procariotas. En lugar de estudiar las características morfológicas y bioquímicas de las bacterias como es habitual, determinó la relación genética de estos microorganismos analizando la secuencia del ácido ribonucleico (ARN), otro tipo de ácido nucleico determinado mediante el análisis de secuencias de ADN. Sabemos que el ADN se expresa dirigiendo la síntesis de proteínas. La síntesis de proteínas determina las características genéticas de los organismos individuales. Debe someterse a un proceso de formación del ARN correspondiente. La síntesis de proteínas debe tener lugar en una estructura llamada ribosoma. Por tanto, el componente más importante de la célula es la ribonucleoproteína, una molécula grande y compleja de la célula cuya función es convertir la información del ADN en productos químicos. El componente principal de la ribonucleoproteína es el ARN, que es muy similar a las moléculas de ADN, y las moléculas que lo componen también tienen sus propias secuencias.

Debido a que el ribosoma es tan importante para la función de expresión biológica, no cambiará fácilmente, porque cualquier cambio en la secuencia del ribosoma puede impedir que el ribosoma cumpla con su responsabilidad de construir nuevas proteínas para la célula, y luego la la voluntad biológica del individuo no puede existir. Por tanto, podemos decir que los ribosomas son muy conservadores y se han mantenido lo más estables posible durante cientos de millones de años sin cambiar, incluso si cambian muy lenta y cautelosamente. Esta lenta tasa de evolución molecular hace que la secuencia del ARN de la ribonucleoproteína sea un material útil para descifrar los misterios de la evolución bacteriana. Uss compara las secuencias de ARN ribosómico de múltiples bacterias, animales y plantas para clasificar el parentesco de estos organismos en función de las similitudes.

Cuando Uss y sus colegas estudiaron secuencias de ARN en ribonucleosomas bacterianos, descubrieron que no todos los microorganismos están relacionados. Descubrieron que E. coli, que consideramos una bacteria, no tiene ninguna relación con los microbios productores de metano. Sus secuencias de ARN son tan diferentes de las de las bacterias comunes como de los peces o las flores. Los microorganismos metanogénicos se diferencian en el mundo microbiano porque son asesinados por el oxígeno y producen algunas enzimas que no se encuentran en otros organismos, por eso a este tipo de microorganismos productores de metano lo llaman un tercer tipo de organismo. Más tarde, se descubrió que algunos microorganismos tienen secuencias de ARN similares a los metanógenos y pueden crecer en sal o en aguas termales casi hirviendo. Y sabemos que la atmósfera de la Tierra primitiva no tenía oxígeno, pero contenía grandes cantidades de amoníaco y metano, y probablemente era muy caliente. Las plantas y los animales no pueden sobrevivir en tales condiciones, pero se adaptan perfectamente a estos microorganismos. En condiciones terrestres tan anormales, sólo estas extrañas criaturas podrían sobrevivir, evolucionar y dominar la Tierra primitiva, y es probable que estos microorganismos sean la forma de vida más antigua de la Tierra.

Por lo tanto, Uss nombró a este tercer tipo de organismo Archaea, que se convirtió en una de las tres categorías de organismos junto con el dominio bacteriano y el dominio eucariota. Al principio no fueron tan atrevidos y fueron llamados Archaea. Más tarde, sintieron que este término podría inducir a error a las personas haciéndoles pensar que eran las mismas bacterias en general y no podían mostrar su singularidad, por lo que simplemente eliminaron el sufijo "bacteria". De aquí proviene la palabra arquea.

Suplemento [del editor]

El descubrimiento de Archaea

El interés de la gente por Archaea no comenzó en la década de 1970. Algunos de los peculiares hábitos de vida de Archaea y sus habitantes. Las perspectivas potenciales de desarrollo de la biotecnología han atraído durante mucho tiempo la atención de muchas personas. Las arqueas se encuentran a menudo viviendo en diversos entornos naturales extremos, como desbordamientos térmicos de alta presión en el fondo marino, aguas termales, lagos salino-álcalis, etc. De hecho, en nuestro planeta, las Archaea representan el límite de la vida y determinan el alcance de la biosfera. Por ejemplo, una arqueobacteria llamada eritromicina puede crecer a temperaturas de hasta 113°C. Esta es la temperatura de crecimiento biológico más alta jamás descubierta. En los últimos años, utilizando métodos de biología molecular, se ha descubierto que las arqueas también están ampliamente distribuidas en diversos entornos naturales. Las arqueas viven en el suelo, el agua de mar y los pantanos.

Las arqueas que actualmente se pueden cultivar en el laboratorio incluyen principalmente tres categorías: metanógenas, termófilas extremas y halófilas extremas. Los metanógenos viven en ambientes estrictamente anaeróbicos y ricos en materia orgánica, como pantanos, campos de arroz y estómagos de rumiantes.

, participa en el ciclo del carbono en la tierra y es responsable de la biosíntesis de metano; las bacterias halófilas extremas viven en lagos salados, salinas y la superficie de productos salinos, y pueden crecer en ambientes saturados de sal, pero no pueden crecer cuando la concentración de sal es alta. inferior a 10. Los termófilos extremos generalmente se distribuyen en puntos geológicos calientes en tierra o agua que contienen azufre o sulfuro, como fuentes termales de azufre, pantanos y desbordamientos térmicos submarinos. La mayoría de las bacterias extremotermófilas son estrictamente anaeróbicas y sufren una conversión completa de azufre cuando obtienen energía.

Aunque sus hábitos de vida varían ampliamente, todos los grupos de arqueas comparten características citológicas y bioquímicas comunes que los distinguen de otros organismos. Por ejemplo, las membranas celulares de las arqueas contienen lípidos compuestos de cadenas de hidrocarburos ramificadas y glicerol fosfato de tipo D unidos por enlaces éter, mientras que las membranas celulares de bacterias y eucariotas contienen lípidos compuestos de ácidos grasos no ramificados y glicerol fosfato de tipo L unidos por ésteres. bonos. El componente principal de las paredes celulares bacterianas es el peptidoglicano, mientras que las paredes celulares de las arqueas no contienen peptidoglicano.

Curiosamente, aunque similar a las bacterias, el ADN cromosómico de las arqueas es de circuito cerrado y los genes también están organizados en operones (los operones son las unidades estructurales básicas para la expresión y regulación genética en procariotas y están estrechamente relacionados con las actividades biológicas). Los genes relacionados a menudo coordinan la activación y desactivación de la expresión genética en forma de operones. Las arqueas tienen características eucarióticas obvias en términos de replicación, transcripción y traducción del ADN. : El ARNt de metiltio no formilado se utiliza como ARNt iniciador, promotor, factor de transcripción, etc.

Los resultados de bioquímica comparada muestran que las arqueas y las bacterias son esencialmente diferentes, lo que es consistente con el distanciamiento de sus relaciones filogenéticas.

Teoría de la dicotomía y los tres dominios

¿Cuántas formas de vida hay en la Tierra? Aristóteles utilizó el método de la dicotomía para dividir los seres vivos en animales y plantas al establecer lecciones de biología. El nacimiento del microscopio permitió descubrir bacterias que eran invisibles a simple vista. La diferencia más fundamental en la estructura celular entre bacterias y animales y plantas es que las células animales y vegetales tienen núcleos, que almacenan principalmente el material genético (ADN), mientras que las bacterias no tienen núcleos y el ADN está libre en el citoplasma. Debido a que las diferencias entre animales y plantas son menores que las diferencias entre ellos y las bacterias, E. Chatton propuso en 1937 una nueva regla de dicotomía en biología, es decir, los organismos se dividen en eucariotas nucleados y procariotas no nucleados. Los animales y las plantas son eucariotas y las bacterias son procariotas.

Después de que Darwin publicara "El origen de las especies" en 1859, los biólogos comenzaron a establecer un sistema de clasificación basado en relaciones evolutivas en lugar de similitudes fenotípicas, llamado sistema de clasificación filogenético. Sin embargo, debido a la falta de registros fósiles, este método de clasificación no se ha aplicado eficazmente a la clasificación de procariotas durante mucho tiempo. Desde 65438 hasta 0970, con el desarrollo de la biología molecular, Wuss finalmente logró un gran avance en este campo.

En el largo proceso de evolución, las secuencias de moléculas de información (ácidos nucleicos y proteínas) en cada célula biológica están en constante mutación. La generación de muchos cambios en la secuencia de moléculas de información es aleatoria en el tiempo y la tasa de evolución es relativamente constante, es decir, tiene características de reloj. Por lo tanto, la relación genética entre especies puede describirse cuantitativamente mediante diferencias de secuencia en un gen característico del reloj o su producto (como una proteína) que comparten. Estos genes o sus productos se convierten en cronometradores moleculares que registran la evolución biológica. Claramente, estos cronómetros moleculares que registran el desarrollo de filogenias biológicas deberían estar ampliamente distribuidos en todos los organismos. Basándose en esta consideración, Wuss eligió una molécula llamada ácido nucleico ribosómico de subunidad pequeña (ARNr SSU) como temporizador molecular. Esta molécula es un componente de los ribosomas, la maquinaria de síntesis de proteínas intracelulares, un aspecto importante de casi todas las actividades biológicas. Por lo tanto, es apropiado utilizar SSU rRNA como temporizador molecular.

Después de comparar la similitud de las secuencias de ARNr SSU de diferentes procariotas y eucariotas, Wuss descubrió que Methanococcus, que originalmente se consideraba una bacteria, representa una forma de vida diferente de los eucariotas y las bacterias. Considerando que el entorno de vida de Methanococcus puede ser similar al entorno natural de la Tierra cuando nació la vida, Wuss llamó a este organismo Archaea. Sobre esta base, Wuss propuso en 1977 que los organismos se pueden dividir en tres grupos: eucariotas, eubacterias y arqueas. Según los resultados del análisis de ARNr de SSU, nació un árbol panfilogenético.

Investigaciones posteriores demostraron que la primera bifurcación en el árbol evolutivo produjo una rama de eubacterias y una rama de arqueas/eucariotas. La bifurcación de arqueas y eucariotas ocurrió más tarde. En otras palabras, las Archaea están más cerca de los eucariotas que las Eubacterias.

Sobre esta base, en 1990, Wuss propuso una teoría de clasificación de tres dominios: los organismos se dividen en tres dominios estructurales: eucariotas, eubacterias y arqueas, y los dominios estructurales se definen como aquellos por encima del límite superior. unidad taxonómica. Para resaltar la diferencia entre Archaea y Eubacteria, Wuss cambió el nombre de Archaea a Archaea. Las eubacterias pasaron a llamarse bacterias. La teoría de los tres dominios otorga a Archaea el mismo estatus taxonómico que a los eucariotas y las bacterias.

Algunas personas se han opuesto a la teoría de los tres dominios de Wuss desde sus inicios, especialmente aquellos fuera del campo de la microbiología. Los oponentes insisten en que la distinción entre procariotas y eucariotas es la regla de clasificación más fundamental y evolucionada en biología; las diferencias entre arqueas y bacterias son mucho menos significativas que las de los eucariotas fenotípicamente ricos en la necesidad de cambiar la regla de dicotomía. Sin embargo, en los casi 20 años anteriores a la secuenciación del genoma de M. jannaschii, los estudios filogenéticos que utilizaron varios cronometradores moleculares demostraron repetidamente que las arqueas eran una forma de vida distinta.

La primera evidencia genómica de la teoría de los tres dominios

A pesar del conocimiento anterior sobre las arqueas, cuando las personas se enfrentaron por primera vez a la secuencia completa del genoma de Methanococcus jejuni, todavía se sintieron muy sorprendidos. ¡Methanococcus jejuni tiene 1738 genes, 56 de los cuales nunca antes se habían visto! Por el contrario, sólo se desconocen unos 20 genomas de Haemophilus influenzae y Mycoplasma genitalium. Entonces la gente finalmente se dio cuenta, a nivel del genoma, de que las arqueas son una forma de vida completamente nueva.

Lo más interesante es que genes con funciones más o menos conocidas representan 44 del genoma total de Methanococcus jejuni, lo que parece esbozar la relación evolutiva entre archaea y los otros dos grupos de organismos: archaea en Similar a las bacterias en términos de productividad, división celular y metabolismo, pero similar a los eucariotas en términos de transcripción, traducción y replicación. En otras palabras, ¡un extraño microorganismo que vive en el fondo del océano tiene genes similares a los humanos (en lugar de las bacterias del tracto digestivo humano) en términos de transmisión de información genética! Si bien muchas personas admiraban las maravillas de la vida, también comenzaron a aplaudir el establecimiento final de la teoría de los tres dominios. Cuando la revista estadounidense Science incluyó la secuenciación del genoma de Methanococcus jannaschii como uno de los mayores avances científicos en 1996, afirmó que este logro casi había puesto fin al debate en torno a la teoría de los tres dominios.

Nuevos retos para el árbol evolutivo de Wusi

Justo cuando el suspenso sobre Archaea parecía desaparecer, se sucedieron nuevos descubrimientos y la gente volvió a confundirse. Una variedad de secuencias completas de genomas microbianos están apareciendo en bases de datos que pueden consultarse con un clic del ratón. Archaea representa 4 de las 18 secuencias del genoma biológico publicadas. Utilizando métodos más sensibles para analizar estos genomas (incluido el de Methanococcus jejuni), obtuvimos un resultado sorprendente: sólo 30 (no más de la mitad de las estimaciones anteriores) genes en el genoma de Methanococcus jejuni codifican funciones actualmente desconocidas. Esto es similar a los genomas bacterianos. . Así que el misterio y la singularidad de las arqueas se reducen mucho.

Lo que es aún más desfavorable para la teoría de los tres dominios es que 44 de los productos genéticos (proteínas) de Methanococcus jannaschii con funciones putativas tienen las características de proteínas bacterianas, y sólo 13 se parecen a proteínas eucariotas. Una historia similar se aplica al genoma de otra arquea, Methanobacterium thermophila. Por lo tanto, la diferencia entre arqueas y bacterias es mucho menor que la diferencia entre arqueas y eucariotas, y no es suficiente para convencer a los oponentes de la teoría de los tres dominios.

Aún más difícil de entender es que el uso de diferentes genes en el mismo organismo para mapear la filogenia de la especie a menudo produce resultados diferentes. Recientemente se ha determinado la secuencia del genoma de una bacteria (Aquifex aeolicus) que puede crecer cerca del punto de ebullición.

El estudio filogenético de varios genes de esta cepa mostró que si se utiliza como temporizador molecular FtsY, una proteína involucrada en la regulación de la división celular, esta cepa es similar a Bacillus subtilis, una bacteria del suelo ubicada en la rama bacteriana de la evolutiva Wusi. árbol si se utiliza FtsY, una proteína involucrada en la regulación de la división celular, como temporizador molecular tomando como estándar la enzima para la síntesis de aminoácidos, la bacteria debería pertenecer a Archaea; las unidades estructurales básicas del ADN) se comparó con las enzimas de otros organismos, se encontró que Archaea ya no formaba un grupo independiente. Parece que diferentes genes cuentan historias evolutivas diferentes. Entonces, ¿podría Archaea ser una forma de vida única y unificada?

Después de completar la secuenciación del genoma del organismo eucariota Saccharomyces cerevisiae, la teoría de los tres dominios se encontró con una crisis mayor. Entre los genes nucleares de las levaduras, hay el doble de genes relacionados con bacterias que con genes relacionados con arqueas. Alguien también analizó 34 familias de proteínas presentes en las tres formas de vida y descubrió que 17 familias se originaron a partir de bacterias, y solo 8 familias mostraron la relación entre arqueas y eucariotas.

Si el árbol filogenético de Wu Si es correcto y la divergencia entre arqueas y eucariotas se produce más tarde que la divergencia entre estos y las bacterias, ¿cómo interpretamos estos resultados?

Según la popular hipótesis endosimbionte en la investigación de la evolución celular, la producción de orgánulos eucariotas (mitocondrias, cloroplastos) se originó a partir de la relación endosimbiótica establecida entre bacterias y procariotas en las primeras etapas de la evolución. En esta relación, la célula eucariota proporciona un microambiente estable, mientras que el endosimbionte (bacteria) proporciona energía. Con el tiempo, los endosimbiontes evolucionaron hasta convertirse en orgánulos. Algunos genes de bacterias en el núcleo eucariota pueden originarse en las mitocondrias. Estos genes generalmente codifican moléculas de proteínas que se transportan de regreso a las mitocondrias. Sin embargo, ahora se ha descubierto que muchos de los genes nucleares bacterianos codifican proteínas que funcionan en el citoplasma en lugar de en las mitocondrias. Entonces, ¿de dónde vienen estos genes? Obviamente, la hipótesis de la endosimbiosis no es suficiente para salvar el árbol evolutivo de Wu Si.

Sin embargo, el árbol evolutivo de Wu Si no caerá fácilmente y todavía existen muchas hipótesis que lo respaldan. Recientemente se ha propuesto una nueva versión de la hipótesis de la "transferencia horizontal de genes". Según esta hipótesis, la composición heterocigótica del genoma resulta de la transferencia de genes entre diferentes linajes durante la evolución. Un organismo puede adquirir, al tragar, genes de otro organismo que puede estar muy lejos. Wuss especuló que antes de que los ancestros evolucionaran en tres linajes: bacterias, arqueas y eucariotas, vivían en una "comunidad" donde los genes podían intercambiarse entre sí. Los organismos de esta "comuna prehistórica" ​​pueden haber adquirido una herencia genética diferente. Esto dificulta la distinción de ramas del árbol evolutivo. Pero Wuss cree que el árbol filogenético basado en el ARNr de SSU es generalmente correcto y que hay tres formas de vida.

La polémica continúa

La publicación de la secuencia del genoma de Methanococcus jejuni hace tres años pareció presagiar un debate que dura ya más de 20 años sobre cuántas formas de vida hay en la Tierra . Finalizar. Archaea parece ser considerada una tercera forma de vida. Ahora, sólo tres años después, ni siquiera las personas más optimistas podrían haber predicho el destino del árbol evolutivo de Worcester. En este debate en curso, aunque se ha cuestionado el estatus taxonómico de las arqueas, todavía se reconoce en diversos grados su singularidad como forma de vida.

Actualmente, la investigación sobre arqueas se está intensificando en todo el mundo, no sólo porque las arqueas contienen procesos y funciones biológicas mucho más desconocidas que los otros dos organismos, sino también porque las arqueas tienen perspectivas inconmensurables para el desarrollo de la biotecnología. Archaea sorprende a la gente una y otra vez, y es seguro que en los próximos años, este grupo único de organismos seguirá mostrando a la gente los infinitos misterios de la vida.

Li Jiang, Yan Qun, Lepa, A Bao y Hou Minao son todos hermosos.