El Reino Archaea

El Reino Archaea

El reino Archaea. O dominio archaea es una categoría biológica que constituye una diversidad de microorganismos unicelulares procariotas, es decir, que no tienen núcleo.

Las arqueas (Archaeaet: del griego ἀρχαῖα [arkhaía], «las antiguas») son un grupo de microorganismos unicelulares que, al igual que las bacterias, tienen morfología procariota (sin núcleo ni, en general, orgánulos membranosos internos), pero son fundamentalmente diferentes a éstas, de tal manera que conforman su propio dominio y reino.

En el pasado las arqueas fueron clasificadas como bacterias procariotas enmarcadas en el antiguo reino Mónera y recibían el nombre de arqueobacterias, pero esta clasificación ya no se utiliza. En realidad, las arqueas tienen una historia evolutiva independiente y muestran muchas diferencias en su bioquímica con las otras formas de vida, por lo que se clasificaron en un dominio separado dentro del sistema de tres dominios: Archaea, Bacteria y Eukarya.

Las arqueas son un dominio (y también un reino​) que se divide en cinco filos reconocidos, pero se están identificando más. De estos grupos, Crenarchaeota y Euryarchaeota son los más estudiados. La clasificación de las arqueas todavía es difícil, porque la gran mayoría nunca se han estudiado en el laboratorio y solo se han detectado mediante análisis de sus ácidos nucleicos en muestras tomadas del ambiente.

Las arqueas y bacterias son bastante similares en tamaño y forma, aunque algunas arqueas tienen formas muy inusuales, como las células aplanadas y cuadradas de Haloquadratum walsbyi. ​ A pesar de esta semejanza visual con las bacterias, las arqueas poseen genes y varias rutas metabólicas que son más cercanas a las de los eucariotas, en especial en las enzimas implicadas en la transcripción y la traducción. Otros aspectos de la bioquímica de las arqueas son únicos, como los éteres lipídicos de sus membranas celulares. Las arqueas explotan una variedad de recursos mucho mayores que los eucariotas, desde compuestos orgánicos comunes como los azúcares, hasta el uso de amoníaco, iones de metales o incluso hidrógeno como nutrientes. Las arqueas tolerantes a la sal (las haloarqueas) utilizan la luz solar como fuente de energía, y otras especies de arqueas fijan carbono; ​ sin embargo, a diferencia de las plantas y las cianobacterias, no se conoce ninguna especie de arquea que sea capaz de ambas cosas. Las arqueas se reproducen asexualmente y se dividen por fisión binaria, fragmentación o gemación; a diferencia de las bacterias y los eucariotas, no se conoce ninguna especie de arquea que forme esporas. ​

Inicialmente, las arqueas era consideradas todas metanógenas o extremófilas que vivían en ambientes hostiles tales como aguas termales y lagos salados, pero actualmente se encuentran arqueas en los más diversos hábitats, tales como el suelo, océanos, pantanos y en el colon humano. Las arqueas son especialmente numerosas en los océanos, y las que forman parte del plancton podrían ser uno de los grupos de organismos más abundantes del planeta. Actualmente se consideran una parte importante de la vida en la Tierra y podrían desempeñar un papel importante tanto en el ciclo del carbono como en el ciclo del nitrógeno. No se conocen ejemplos claros de arqueas patógenas o parásitas, pero suelen ser mutualistas o comensales. Son ejemplos las arqueas metanógenas que viven en el intestino de los humanos y los rumiantes, donde están presentes en grandes cantidades y contribuyen a digerir el alimento. Las arqueas tienen su importancia en la tecnología, hay metanógenas que son utilizados para producir biogás y como parte del proceso de depuración de aguas, y las enzimas de arqueas extremófilas son capaces de resistir temperaturas elevadas y disolventes orgánicos, siendo por ello utilizadas en biotecnología.

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Se caracterizan por mantener sus propias diferencias frente a otros procariotas y frente a otros dominios en algún momento clasificados como similares: las bacterias y los eucariotas.

En un principio, el estudio de las arqueas estuvo ligado al dominio de las bacterias, hasta que se comenzaron a visibilizar sus propiedades únicas, que no necesariamente respondían a las mismas condiciones que las bacterias y otros organismos procariotas.

Una de las principales condiciones que permitieron su adhesión como dominio propio es la resistencia y facilidad que tienen para vivir en altas temperaturas.

Se les acuñó el término arquea, proveniente del griego archae, debido a que poseen una estructura molecular antigua, y que se ha mantenido sin mayores cambios o desarrollo frente a cualquier otra rama de microorganismos.

Durante muchos años se estimó que las arqueas habitaban principalmente en entornos hostiles para otros seres, lo que hacía más difícil su aislamiento para posterior análisis y estudio.

Historia

El grupo de arqueas que se ha estudiado desde más antiguo es el de las metanógenas. La metano génesis fue descubierta en el lago Mayor de Italia en 1776, al observar en él el burbujeo de “aire combustible”. En 1882 se observó que la producción de metano en el intestino de animales se debía a la presencia de microorganismos (Popoff, Tappeiner, y Hoppe-Seyler).

En 1936, año que marcó el principio de la era moderna en el estudio de la metalogénesis, H.A Barker brindó las bases científicas para el estudio de su fisiología y logró desarrollar un medio de cultivo apropiado para el crecimiento de las metanógenas.

En ese mismo año se identificaron los géneros Methanococcus y Methanosarcina. ​

Las primeras arqueas extremófilas se encontraron en ambientes calientes. En 1970, Thomas D. Brock de la Universidad de Wisconsin descubrió a Thermoplasma, un arquea termoacidófila y en 1972 a Sulfolobus, una hipertermófila. Brock se inició en 1969 en el campo de la biología de los hipertermófilos con el descubrimiento de la bacteria Thermus.

En 1977 se identifica a las arqueas como el grupo procariota más distante al descubrir que las metanógenas presentan una profunda divergencia con todas las bacterias estudiadas. Ese mismo año se propone la categoría de superreino para este grupo con el nombre de Archaebacteria. En 1978, el manual de Bergey le da la categoría de filo con el nombre de Mendosicutes y en 1984 divide al reino Procaryotae o Mónera en 4 divisiones, agrupándolas en la división Mendosicutes. ​

Las arqueas hipertermófilos se agruparon en 1984 bajo el nombre Eocyta, identificándolas como un grupo independiente de las entonces llamadas arqueobacterias (en referencia a las metanógenas) y las eubacterias, descubriéndose además que Eocyta era el grupo más cercano a los eucariontes. ​ La relación filogenética entre metanógenas e hipertermófilos hace que en 1990 se renombre a Eocyta como Crenarchaeota y a las metanógenas como Euryarchaeota, formando el nuevo grupo Archaea como parte del sistema de tres dominios

Origen y descubrimiento del reino Archaea

Los primeros vestigios de estos microorganismos se remontan a más de 3.8 billones de años, encontrados en lo que se considera la capa de sedimento más antigua de la Tierra, ubicada en Groenlandia; brindando a las arqueas el linaje más viejo del planeta.

En un principio las arqueas se estudiaban de la misma manera que las bacterias y las eucariotas en un intento por comprender las fundaciones básicas de la vida. Aunque tenía propiedades disímiles, ciertas semejanzas mantenían a las arqueas junto a las bacterias, incluso llegando a considerarlas arqueobacterias.

La incompatibilidad de los dominios microorgánicos con la clasificación por Reinos establecida por Whitaker (Protista, Plantae, Animalia, Mónera, Fungí), generó el destronamiento de este término y la adjudicación del término dominio como uno superior. Los dominios actuales son, precisamente, Eukarya, bacteria y Archaea.

La posterior clasificación y estudio de los elementos del dominio arquea de forma independiente se adjudica principalmente a Carl Woese, quien en los años 70 comenzó a desarrollar arboles filogenéticos que permitían las disección elemental de los microorganismos, permitiendo caracterizar diferencias entre los propios organismos procariotas que ese momento incluían tanto las bacterias como las arqueas.

Estos estudios permitieron discernir sobre la amplia presencia que tienen las arqueas alrededor del mundo, y su afinidad por condiciones extremas.

Incluso en la actualidad, las clasificaciones arqueas singuen desplazándose entre sus propias categorías debido al constante desarrollo de nuevas perspectivas sobre sus propiedades.

Características de las arqueas

Son diversas las propiedades que caracterizan a las arqueas: tienen una membrana unicelular cuya envoltura o pared es distinta a la de las bacterias; las membranas arqueas están compuestas por lípidos con una composición glicerina distinta a la de los eucariotas, con la finalidad de brindar a las primeras una alta capacidad de resistencia térmica.

Las arqueas individuales tienen un diámetro variable (de 0.1 a 15 micrómetros) y pueden presentar múltiples formas, como esféricas, espirales, y hasta rectangulares.

Sus flagelos presentan composiciones diferentes a los de las bacterias, pudiendo ser mucho más largos y gruesos. Las arqueas, según sus formas, pueden presentar procesos metabólicos muy distintos entre ellos.

El funcionamiento y las relaciones internas de las arqueas, aunque propias, son más similares al funcionamiento eucariota que al bacteriano, en cuanto a sus procesos proteínicos.

El estudio especializado en la síntesis proteica de las arqueas ha permitido un entendimiento mucho más profundo de este proceso no solo en las arqueas, sino en todos los dominios de la vida.

La mayoría de las arqueas son consideradas extremófilas; capaces de vivir a más de 100°C, en geiseres o sumideros submarinos, así como en condiciones extremadamente frías. Las arqueas pueden habitar en el fondo del océano, en entornos pantanosos y hasta han sido rastreadas en pozos de petróleo y drenajes.

Presencia arquea también ha sido descubierta en microfauna marina como el plancton; de igual forma en los conductos digestivos de animales como rumiantes.

Clasificación

Nuevo dominio

A principios del siglo XX, los procariotas se consideraban un único grupo de organismos y se clasificaban según su bioquímica, morfología y metabolismo. Por ejemplo, los microbiólogos intentaban clasificar los microorganismos según la estructura de su pared celular, su forma y las sustancias que consumían. ​ Sin embargo, en 1965 se propuso un nuevo sistema, ​ utilizando las secuencias genéticas de estos organismos para averiguar qué procariotas están realmente relacionadas entre sí. Este método, conocido como filogenia molecular, es el principal método utilizado desde entonces.

Las arqueas extremófilas se detectaron inicialmente en ambientes extremos, tales como fuentes hidrotermales. (En la fotografía: vista aérea de la Gran Fuente Prismática, un lago en el Parque nacional de Yellowstone (EE. UU.). La laguna mide aproximadamente 75 × 91 m.

Las arqueas se clasificaron inicialmente en 1977 como un superreino separado de las bacterias, por Carl Woese y George E. Fox en árboles filogenéticos basados en las secuencias de genes de ARN ribosómico (ARNr). ​ Estos dos grupos se denominaron originalmente Eubacteria y Archaebacteria, lo que Woese y Fox denominaron “reinos originales”. Woese argumentó que este grupo de procariotas es un tipo de vida fundamentalmente distinto. Para enfatizar esta diferencia, usaron el término dominio en 1990 y los rebautizaron Bacteria y Archaea. El nombre científico Archaea proviene del griego antiguo ἀρχαῖα, que significa “los antiguos”.​ El término “arqueobacteria” proviene de la combinación de esta raíz y del término griego baktērion, que significa “pequeño bastón”.

Originalmente, solo se clasificaron las metanógenas en este nuevo dominio, luego los considerados extremófilos que solo vivían en hábitats como aguas termales y lagos salados. A finales del siglo XX, los microbiólogos se dieron cuenta de que Archaea son un grupo grande y diverso de organismos ampliamente distribuidos en la naturaleza, y que son comunes en hábitats mucho menos extremos, como suelos y océanos. ​ Esta nueva toma de conciencia de la importancia y la omnipresencia de estos organismos vino del uso de la reacción en cadena de la polimerasa para detectar procariotas en muestras de agua o suelo a partir de, únicamente, sus ácidos nucleicos. Esto permite detectar e identificar organismos cuyo cultivo en el laboratorio es complejo. ​

Clasificación actual

La clasificación de las arqueas, y de los procariontes en general, es un tema en constante fluctuación. Los sistemas actuales de clasificación intentan organizar las arqueas en grupos que comparten rasgos estructurales y antepasados comunes. ​ Estas clasificaciones se basan especialmente en el uso de secuencias de genes de ARN ribosómico para revelar las relaciones entre los organismos (análisis moleculares de ADN). ​ En la actualidad (2016) figuran cinco filos en LPSN (List of Prokaryotic names with Standing in Nomenclatura, Lista de nombres de procariotas con pie en la nomenclatura).

Estos son: Euryarchaeota, Crenarchaeota, Korarchaeota, Nanoarchaeota y Thaumarchaeota. La mayoría de especies de arqueas cultivables y bien investigadas son miembros de dos filos principales, Euryarchaeota y Crenarchaeota. A la peculiar especie Nanoarchaeum equitans, que fue descubierta en 2003, se le ha atribuido su propio filo, Nanoarchaeota. ​ El reciente filo Korarchaeota contiene un número reducido de inusuales especies termófilas que comparten rasgos de los dos filos principales, pero que son más cercanas a Crenarchaeota. ​

Los análisis genómicos de las muestras tomadas del medio ambiente han revelado un gran número de especies nuevas de arqueas que tienen una relación distante con cualquiera de los grupos conocidos. Por ejemplo, los nano organismos arqueo bacterianos acidófilos de la mina Richmond (ARMAN), que fueron descubiertos en 2006​ y están entre los organismos conocidos más pequeños. ​ Así, el número de filos candidatos en la actualidad (2016) es de doce. ​ Los 17 filos conocidos de arqueas se agrupan en tres supe grupos, usualmente con rango de superfilo: Euryarchaeota, TACK y DPANN.

Los organismos ARMAN (filos Micrarchaeota y Parvarchaeota) son un grupo de arqueas descubierto en el año 2006 en los drenajes ácidos de minas. Encontrados por ejemplo en las minas de Río Tinto, Huelva, España.

Las características de los filos son:

  • Euryarchaeota: Es el grupo más variado, cuatro clases son metanógenas, tres son termoacidófila y dos hiperhalófilas. También abundan en ambientes marinos.
  • Grupo TACK:
    • Thaumarchaeota: Son quimiolitoautótrofos nitrificantes de ambientes marinos y terrestres.
    • Korarchaeota: Son escasas y se encuentran en fuentes termales.
    • Crenarchaeota o Eocyta: Tienen varias características comunes y generalmente son hipertermófilos, acidófilos, reductores y/u oxidantes del azufre y quimiolitoheterótrofos.
    • Filos candidatos: Aigarchaeota (propuesto en 2011, de características intermedias entre mesófilos e hipertermófilos​), Bathyarchaeota, Geoarchaeota, Lokiarchaeota (que contiene las arqueas más próximas a los eucariotas) y Thorarchaeota.
  • Grupo DPANN:
    • Nanoarchaeota: Hipertermófilos o acidófilos muy pequeños. Se considera que las nanoarqueas con 300 nm de diámetro, son los procariontes más pequeños.
    • Filos candidatos: Diapherotrites, Parvarchaeota (este y el siguiente filo se conocían previamente como ARMAN y contienen arqueas muy pequeñas), Micrarchaeota, Woesearchaeota, Pacearchaeota, Aenigmarchaeota y Nanohaloarchaeota.

 

Clasificación del dominio Archaea

Las arqueas se clasifican según su condición filogenética, que consiste en la relación de parentesco entre las especies.

El dominio arquea parte de 16 secuencia genéticas de ARN (Ácido Ribonucleico), divididas en cuatro filos fundamentales: euriarqueotas, crenarqueotas, korarqueotas y nanoarqueotas.

Euriarqueotas

Es uno de los filos principales del dominio Archaea que contiene procariotas simples y abarca un amplio número de microorganismos.

Estos presentan alta diversidad en su fisiología, morfología y hábitat natural. Antes, las euriarqueotas se encontraban en un mismo filo junto con las crenarqueotas; basándose en las secuencias de ARN, fueron separadas.

Crenarqueotas

También conocidas como crenotas, es el otro de los filos principales del dominio Archaea. Son arqueas termófilas o hipertermófilos, es decir que pueden soportar condiciones extremas de temperatura. La mayor presencia de estas arqueas se encuentras en los océanos.

Korarqueotas

Representan el tercer filo descubierto históricamente. Presenta cualidades hidrotérmicas y su presencia no se considera abundante en el planeta.

Los cuerpos acuáticos de altas temperaturas representan su hábitat, y dependiendo de condiciones geográficas, acuáticas (salinidad, pH) y de temperatura, el filo korarqueotas puede presentar sub divisiones individuales.

Nanoarqueotas

Es un filo que solo incluye a la especie Nanoarchaeum equitans, la cual fue descubierta en el año 2002. Métodos anteriores no habían permitido identificar a esta especie.

Se ha determinado que, al igual que las korarqueotas, se encuentra distribuida en ambientes hidrotermales y de altas temperaturas.

Al contrario que las especies pertenecientes a los demás filos, se ha inferido que la especie nanoarqueotas necesita de un huésped arquea para poder sobrevivir. Es considerado un simbionte.

La naturaleza extremofílica de las arqueas ha estimulado los esfuerzos por profundizar y entender las capacidades de adaptación fisiológica que han desarrollado estos microorganismos para sobrevivir en condiciones extremas, y de esta forma intentar desarrollar componentes biotecnológicos que puedan explotar estos principios.

Han sido las enzimas los elementos claves para poner a prueba estas determinaciones, sin embargo, las dificultades que presenta el aislamiento de estas han prevenido que se puedan desarrollar proyectos a gran escala.

Especies

La clasificación de las arqueas en especies también es controvertida. En biología, una especie es un grupo de organismos relacionados. Una definición de especie muy extendida entre los animales es un conjunto de organismos que pueden reproducirse entre ellos y que están reproductivamente aislados de otros grupos de organismos (es decir, no pueden reproducirse con otras especies). ​ Sin embargo, los esfuerzos por clasificar los procariotas, como las arqueas, en especies se complican debido a que son asexuales y que presentan un alto nivel de transferencia horizontal de genes entre linajes. Este tema es controvertido; por ejemplo, algunos datos sugieren que en arqueas como Ferroplasma, se pueden agrupar células individuales en poblaciones de genoma muy similar y que raramente transfieren genes a grupos más divergentes de células.7 Algunos argumentan que estos grupos de células son análogos a especies. Por otra parte, estudios de Halorubrum descubrieron un intercambio genético significativo entre estas poblaciones. ​ Estos resultados han llevado a pensar que clasificar estos grupos de organismos como especies tendría poco sentido práctico. ​

El conocimiento actual sobre la diversidad de las arqueas es fragmentario, y no se puede estimar con ningún tipo de precisión el número total de especies existentes. ​ Incluso se desconoce el número total de filos arqueo bacterianos, de los cuales actualmente hay propuestos 16 y solo ocho tienen representantes que se han cultivado y estudiado directamente. Muchos de estos grupos hipotéticos son conocidos únicamente a partir de una sola secuencia de ARNr, lo que indica que la diversidad de estos organismos permanece completamente desconocida. ​ El problema de cómo estudiar y clasificar microbios no cultivados también se da en las bacterias. Recientemente, y aunque el proyecto plantea las dificultades mencionadas anteriormente, el consorcio público GEBA (acrónimo en inglés de Genomic Enciclopedy of Bacteria and Archaea, Enciclopedia genómica de Bacteria y Archaea) está llevando a cabo la tarea de completar y anotar la mayor cantidad de genomas de estos dos dominios con el fin, entre otros, de llevar a cabo una clasificación basada en el genoma.

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