Fakta menarik tentang archaea: keanekaragaman, fungsi, dan aplikasi yang mengejutkan.

Sejauh ini, Planet Bumi adalah satu-satunya tempat di alam semesta di mana fluoresensi kehidupan dapat dicapai karena variabel iklim yang bertemu di habitat kita; pada dasarnya, air cair, suhu yang sesuai, dan reaksi kimia yang tepat telah memungkinkan pembentukan dan evolusi organisme yang bertahan hidup dengan mensintesis energi dari molekul karbon dan oksigen.

Manusia adalah bagian dari kru ini yang berinteraksi di dunia, serta berbagai spesies yang biasa kita amati, namun ada banyak organisme yang tidak terlihat dan dengan cara yang sama memiliki peran mendasar dalam keseimbangan kehidupan. ; makhluk hidup ini Mereka disebut mikroorganisme.Karena ukurannya yang sangat kecil dan komposisi organik yang sederhana, susunan sistem tubuhnya yang mendasar ini memungkinkan reproduksi dan perkembangbiakannya yang sukses.

Archaea dan tempatnya dalam pohon kehidupan

Mikrobiologi adalah ilmu yang bertanggung jawab untuk mempelajari mikroorganisme ini dan mengklasifikasikannya menurut aspek-aspek tertentu yang membedakannya, sehingga membentuk suatu teori yang terkenal. perbedaan antara organisme multiseluler dan uniselulerBerbicara tentang organisme multiseluler, kita menemukan bahwa mereka adalah bentuk kehidupan yang, meskipun mikroskopis, terdiri dari beberapa sel yang menyusun sistem interaksi dasarnya dengan cara tertentu.

Meskipun organisme uniseluler bergantung pada satu sel untuk menjalankan semua prosesnya, ini termasuk organisme yang termasuk dalam domain atau kingdom Archaea, yang dulunya disalahartikan sebagai bakteri karena kemiripan strukturnya. Mikroorganisme ini adalah prokariota uniseluler Mereka tidak memiliki inti sel yang jelas atau organel internal yang terikat membran, tetapi biokimia dan genetika mereka membedakan mereka dari bakteri.

Ketika mereka diidentifikasi sebagai kelompok yang berbeda, mereka disebut archaebacteria dan dimasukkan ke dalam kerajaan Monera sebelumnya. Namun, analisis RNA ribosom dan genom lengkap menunjukkan bahwa archaea memiliki sejarah evolusi independen dan ciri molekuler yang unik, itulah sebabnya mereka sekarang diakui sebagai salah satu dari tiga domain utama kehidupan: Archaea, Bakteri, dan Eukarya.

Meskipun Anda mungkin pernah mendengar tentang makhluk hidup yang aneh ini, dalam artikel ini kami akan menunjukkan kepada Anda Hal-hal yang mungkin belum Anda ketahui tentang kerajaan Archaea. dan itu pasti akan mengejutkan Anda, dengan mengintegrasikan apa yang diketahui tentang biologi mereka, keanekaragaman mereka, peran ekologis mereka, dan dampak mereka terhadap teknologi.

Klasifikasi dan taksonomi archaea modern yang komprehensif.

Kerajaan atau wilayah Archaea memiliki klasifikasi internal yang luas dan masih terus berubahBerbeda dengan kelompok organisme hidup lainnya, sebagian besar spesies archaea hanya dikenal melalui analisis asam nukleatnya dalam sampel lingkungan, karena pembudidayaan mereka di laboratorium seringkali rumit. Ini berarti bahwa sistematika archaea terus direvisi.

Saat ini, beberapa garis keturunan utama diakui dalam Archaea. Banyak penulis membahas hal ini. empat kerajaan besar atau kelompok super yang utama berdasarkan filogeni molekuler:

• Methanobacteriota (sebelumnya Euryarchaeota): mengelompokkan jumlah archaea terbesar yang diketahui, termasuk sebagian besar arkea metanogenik yang menghasilkan metana, banyak halofil ekstrem, dan beberapa kelompok termoasidofilik.
• Termoproteot (juga dikenal sebagai kelompok TACK): mencakup kelas-kelas seperti Nitrososphaeria, Korarchaeia, dan Thermoproteia, dengan banyak termofil dan hipertermofil, organisme asidofilik dan organisme yang terlibat dalam oksidasi amonium.
• Promethearchaeota atau AsgardSebuah supergrup yang menarik yang berisi archaea yang sangat dekat hubungannya dengan eukariota, dengan gen dan protein yang mengingatkan pada sel-sel dengan inti, dan yang dapat mewakili garis keturunan leluhur kehidupan kompleks.
• Nanobdellati (sering diidentifikasi sebagai kelompok DPANN): dibentuk oleh archaea sangat kecil, banyak di antaranya bersifat asidofilik atau hipertermofilik, dengan genom yang sangat kecil seperti Nanoarchaeum equitans.

Di dalam supergrup ini, beberapa filum kandidat diusulkan, seperti Bathyarchaeia, Hydrothermarchaeota, dan Lokiarchaeia, yang masing-masing mengelompokkan garis keturunan dengan ciri ekologis dan fisiologis yang sangat spesifik. Jumlah total filum archaea yang diusulkan melebihi sepuluh, dan hanya sebagian kecil yang telah dibudidayakan dan dipelajari secara detail, oleh karena itu Keanekaragaman sejati dari archaea sebagian besar masih belum diketahui..

Archaea, bersama dengan bakteri, dikenal sebagai kelompok organisme hidup yang paling banyak jumlahnya di planet ini, terdiri dari populasi triliunan individu yang bereproduksi tanpa henti setiap hari. Struktur uniselulernya, yang mengatur siklus hidup mereka, berarti bahwa reproduksinya adalah proses yang sangat efektif dan yang akan kami jelaskan secara detail nanti.

Karakteristik seluler unik yang membedakan mereka dari bakteri.

Arkea dan bakteri cukup mirip dalam ukuran dan bentuk, meskipun arkea mungkin menunjukkan morfologi yang sangat tidak biasa: mulai dari bentuk bola dan batang klasik hingga bentuk pipih dan persegi seperti Haloquadratum walsbyi, filamen dengan panjang lebih dari 200 mikron atau koloni yang terhubung oleh tabung berongga (kanula) seperti pada genus Pyrodictium.

Meskipun secara visual mirip dengan bakteri, archaea memiliki gen dan beberapa jalur metabolisme. lebih dekat dengan yang dimiliki oleh eukariotakhususnya pada enzim yang terlibat dalam transkripsi dan translasi. Selain itu, mereka menunjukkan ciri biokimia yang unik:

• Membran plasma dengan lipid yang terikat pada gliserol oleh ikatan eter dan ekor yang dibentuk oleh rantai isoprenoid bercabang. Hal ini memberi mereka ketahanan yang jauh lebih tinggi terhadap suhu tinggi, pH ekstrem, dan pelarut organik.
• Dinding sel tanpa peptidoglikan bakteri tipikal. Banyak archaea memiliki pseudopeptidoglikan, glikoprotein spesifik, atau polisakarida yang bertindak sebagai lapisan S pelindung.
• Ribosom bertipe 70S seperti pada bakteri, tetapi dengan protein ribosom dan faktor transkripsi yang sangat mirip dengan eukariota, yang memperkuat hubungan evolusi antara Archaea dan Eukarya.
• flagela Arkean Secara struktural berbeda dari pili bakteri, lebih mirip dengan pili tipe IV, tersusun dari pangkal dan bukan dari ujung.

Penemuan yang sangat baru bahkan menunjukkan bahwa archaea tertentu mampu membentuk struktur yang mirip dengan nukleolusIni adalah sesuatu yang sampai baru-baru ini dianggap eksklusif untuk sel eukariotik. Hal ini membuka pertanyaan baru tentang bagaimana ekspresi gen diatur pada nenek moyang kehidupan kompleks.

Mereka mendiami semua lingkungan: dari ekstremofil hingga mesofil.

Ketika archaea dianggap sebagai bagian dari bakteri, juga diperkirakan bahwa organisme ini hanya dapat hidup di habitat yang ekstrem dan sangat spesifik; namun, sekarang diketahui bahwa spesies yang termasuk dalam kerajaan Archaea dapat hadir di berbagai lingkungan yang sangat beragam tanpa masalah.

Mengenai suhu yang dapat ditahan oleh makhluk hidup ini, suhu tersebut terkadang bervariasi antara... di atas 100°C dan di bawah -30°CHal yang juga luar biasa adalah mereka dapat bertahan hidup dan berinteraksi secara normal di lingkungan yang mengandung garam, di mana mikroorganisme lain tidak dapat berkembang. Diperkirakan bahwa mereka mungkin hadir di lebih dari 30% wilayah planet ini dalam hal persebaran lingkungan, yang mencerminkan kemampuan adaptasi dan kelimpahan mereka.

Arkea ekstremofil sering dikelompokkan menjadi empat tipe utama berdasarkan habitatnya:

• HalofilMereka hidup di lingkungan dengan konsentrasi garam tinggi, seperti danau garam atau dataran garam, di mana jumlah mereka melebihi bakteri di atas tingkat salinitas tertentu.
• Termofil dan hipertermofilMereka berkembang biak pada suhu di atas 45°C dan bahkan di atas 80°C, di mata air panas, lubang hidrotermal, dan sumur minyak.
• Asidofil dan alkalifilMereka dapat tumbuh pada tingkat pH yang sangat rendah, mendekati 0, atau tingkat yang sangat tinggi, dengan memanfaatkan komposisi kimia khusus dari lingkungannya.
• PsikrofilMereka hidup di lingkungan yang sangat dingin seperti laut kutub, es laut, atau sedimen dalam, mensintesis enzim yang aktif pada suhu rendah.

Namun, banyak archaea bersifat mesofilik dan mendiami kondisi sedang: tanah, lautan beriklim sedang, rawa-rawa, sedimen, dan usus manusia dan hewan lainnyaDalam plankton laut, beberapa archaea dari kelompok Nitrososphaeria dapat membentuk hingga 40% biomassa mikroba, dan secara aktif berpartisipasi dalam siklus nitrogen.

Terima kasih untuk ini stamina yang luar biasa Inilah yang memungkinkan kerajaan ini berkembang sejak awal terbentuknya atmosfer Bumi, sekitar 2.500 miliar tahun yang lalu, dan yang sangat memengaruhi proses evolusi planet dan spesiesnya. Ketahanan yang sama telah memicu spekulasi tentang kemungkinan keberadaan mikroorganisme serupa di planet atau bulan lain dengan kondisi ekstrem.

Metabolisme serbaguna: mereka memproses lebih banyak sumber daya daripada mikroba lainnya.

Berbeda dengan banyak mikroorganisme lainnya, mikroorganisme yang termasuk dalam kerajaan Archaea dapat memproses keragaman nutrisi dan bahan baku yang lebih besar yang ditemukan di berbagai lingkungan. Di antaranya dapat disebutkan: senyawa nitrogen, karbon, dan sulfur; mereka bahkan memiliki proses seperti glikolisis (dalam berbagai variasinya) untuk mendapatkan energi yang menjamin siklus hidup mereka.

Berdasarkan jenis nutrisinya, archaea dapat dikategorikan sebagai:

• LitotrofMereka memperoleh energi dari senyawa anorganik seperti amonia, hidrogen, sulfur, atau besi, memainkan peran kunci dalam siklus biogeokimia.
• OrganotrofMereka menggunakan senyawa organik (gula, asam organik, alkohol) sebagai sumber karbon dan energi.
• Fototrof Non-fotosintetik klasik: beberapa haloarchaea menggunakan pigmen seperti bakteriorhodopsin untuk memanfaatkan sinar matahari dan menghasilkan ATP tanpa melepaskan oksigen.

Beberapa spesies dapat menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi tanpa menghasilkan oksigen seperti pada proses fotosintesis, sebuah kualitas yang unik. di dalam makhluk hidup di planet iniIni tidak termasuk bakteri metanogenik, yaitu bakteri yang menghasilkan gas metana dalam kondisi yang sangat spesifik, termasuk usus manusia, yang karenanya diyakini memainkan peran mendasar dalam proses pencernaan dan produksi gas.

itu arkea metanogenik Mereka menggunakan karbon dioksida, hidrogen, asetat, atau senyawa sederhana lainnya sebagai penerima elektron dalam kondisi anaerobik, menghasilkan metana sebagai produk sampingan. Proses ini sangat penting di rawa-rawa, sedimen, pengolah air limbah, dan rumen ruminansia, tetapi juga menjadikan archaea ini pemain penting dalam ekosistem. gas-gas rumah kaca.

Arkea lainnya mengikat karbon melalui jalur alternatif selain siklus Calvin, seperti siklus 3-hidroksipropionat/4-hidroksibutirat atau jalur reduksi asetil-CoA. Dalam siklus nitrogen, banyak arkea di tanah dan lautan mengoksidasi amonia, melepaskan nitrit yang kemudian diubah oleh bakteri lain menjadi nitrat yang dapat digunakan oleh tumbuhan.

Reproduksi aseksual dan transfer genetik

Spesies yang termasuk dalam kerajaan Archaea bereproduksi secara aseksual sepenuhnya, melalui proses seperti pembelahan biner, pembelahan berganda, pertunasan, atau fragmentasi. Mekanisme yang paling umum adalah pembelahan bineryang terdiri dari penggandaan satu sel dengan mengkloning materi genetiknya dan menciptakan sitoplasma individual untuk menampung materi genetik baru; dasar dari bentuk reproduksi ini adalah replikasi DNA, yang memungkinkan organisme untuk mendapatkan salinan dirinya yang hampir identik.

Penting untuk mempertimbangkan bahwa bentuk reproduksi ini juga terdapat pada bakteri dan organisme uniseluler lainnya yang membentuk, dan telah membentuk, dasar rantai interaksi antar makhluk hidup di planet ini. Pada archaea dari genus Sulfolobus, replikasi kromosom telah diamati dimulai pada banyak titik awal dan menggunakan polimerase DNA yang mirip dengan yang ada pada eukariota, sementara protein yang mengarahkan pembelahan sel lebih menyerupai protein bakteri.

Meskipun belum dijelaskan endospora Seperti bakteri tertentu, beberapa haloarchaea dapat membentuk sel berdinding tebal yang lebih tahan terhadap perubahan osmotik atau salinitas, sehingga memungkinkan mereka untuk bertahan hidup dalam kondisi yang tidak menguntungkan dan mengkolonisasi habitat baru.

Selain reproduksi klonal, archaea dapat bertukar materi genetik melalui plasmid dan virus spesifikVirus dengan morfologi yang sangat beragam telah terdeteksi, termasuk bentuk botol, batang bengkok, dan struktur tetesan air mata yang tidak seperti virus lain yang dikenal, terutama pada archaea termofilik seperti yang termasuk dalam ordo Sulfolobales. Banyak archaea memiliki sistem pertahanan berdasarkan sekuens berulang dan RNA (mirip dengan sistem CRISPR-Cas), yang memungkinkan mereka untuk mengenali dan menetralkan DNA yang menyerang.

Hubungan dengan manusia: mikrobiota dan tidak adanya patogen yang jelas

Awalnya, archaea dianggap tidak relevan dengan kesehatan manusia karena mereka terutama dikenal dari lingkungan ekstrem. Namun, saat ini kita tahu bahwa mereka merupakan bagian yang stabil dari tubuh kita. mikrobiota manusia di berbagai bidang:

• ususSpesies seperti Methanobrevibacter smithii sangat melimpah di usus besar dan mungkin mewakili sebagian besar prokariota usus, yang berperan dalam pencernaan polisakarida dan produksi metana.
• bocaMethanobrevibacter oralis telah terdeteksi di plak gigi dan kantung periodontal, di mana bakteri ini dapat mendorong lingkungan anaerobik dengan mengonsumsi hidrogen.
• Kulit, saluran pernapasan, dan sistem urinariaStudi metagenomik telah mengidentifikasi sekuens archaea di lokasi-lokasi ini, meskipun dalam jumlah yang lebih kecil dan dengan fungsi yang masih belum jelas.

Tidak ada contoh jelas yang diketahui tentang archaea patogen obligat bagi manusia atau hewan lain, tetapi beberapa telah diusulkan. asosiasi tidak langsung antara banyaknya metanogen dan gangguan seperti sembelit kronis, sindrom iritasi usus besar dengan dominasi sembelit, penyakit periodontal lanjut atau kasus-kasus tertentu dari disbiosis usus.

Dalam kebanyakan kasus, archaea tampaknya mutualis atau komensalDi dalam usus manusia dan hewan ruminansia, mereka mengonsumsi hidrogen yang dihasilkan oleh mikroba fermentatif lainnya, memungkinkan mereka untuk mendapatkan lebih banyak energi dari pemecahan selulosa atau karbohidrat kompleks lainnya. Pada beberapa rayap, archaea bahkan hidup di dalam organel khusus (hidrogenosom) dari protozoa simbion, melengkapi sirkuit pertukaran metabolit yang kompleks.

Mereka digunakan di banyak industri dan dalam bioteknologi canggih.

Untuk produksi produk industri tertentu untuk konsumsi manusia, terutama produk susu dan turunannya, penggunaan bakteri dan mikroorganisme sebagai katalis dan aktivator reaksi kimia sudah dikenal luas. Reaksi-reaksi ini memberikan produk-produk tersebut, seperti keju, whey, dan yogurt, konsistensi, rasa, daya tahan, dan tekstur yang khas; namun, ada rantai produksi yang membutuhkan suhu tinggi Untuk mewujudkan karakteristik tertentu, sebagian besar bakteri tidak dapat bertahan dalam kondisi yang sangat panas ini, sehingga digantikan oleh archaea yang dapat bertahan pada suhu lebih dari 100 ºC dan mengembangkan perubahan yang diperlukan dalam makanan tersebut untuk mencapai kualitas yang efektif.

Enzim-enzim dari archaea termofilik dan hipertermofilik (kadang-kadang disebut ekstremozimBahan-bahan ini sangat stabil terhadap panas dan biasanya tahan terhadap zat pendegradasi, deterjen, pelarut organik, dan tingkat pH ekstrem. Hal ini membuat bahan-bahan ini sangat berharga untuk berbagai industri:

• Industri makananAmilase, galaktosidase, dan pullulanase dari spesies seperti Pyrococcus furiosus berfungsi pada suhu tinggi, memungkinkan pemrosesan susu rendah laktosa, whey, dan produk lainnya tanpa kehilangan aktivitas enzimatik.
• Biologi molekulerPolimerase DNA termostabil yang diperoleh dari archaea telah merevolusi reaksi berantai polimerase (PCR), dengan kemampuannya menahan siklus denaturasi, annealing, dan ekstensi berulang tanpa mengalami degradasi.
• Industri deterjen, tekstil, kertas, dan kulit.Enzim dan surfaktan tahan suhu tinggi digunakan untuk meningkatkan efisiensi pencucian, pengolahan serat, serta pemrosesan kertas dan kulit.
• Produksi biogas dan pengolahan airArkea metanogenik sangat penting dalam digester anaerobik, di mana mereka mengubah limbah organik menjadi metana yang dapat digunakan sebagai sumber energi terbarukan.
• PertambanganDalam pertambangan, banyak archaea digunakan yang berkolaborasi secara efektif dalam reaksi kimia yang diperlukan untuk mendapatkan mineral seperti emas, kobalt, dan tembaga, sehingga memfasilitasi proses bioleaching yang lebih ramah lingkungan.

Dalam bidang kedokteran, kemajuan yang signifikan telah dicapai melalui kerajaan Archaea, karena beberapa antibiotik telah diproduksi berdasarkan organisme ini, membantu banyak orang yang menderita penyakit. alergi terhadap antibiotik tradisionalSelain itu, senyawa-senyawa asal archaea dengan struktur yang sangat berbeda dari antibiotik bakteri telah diidentifikasi, membuka pintu bagi mekanisme kerja baru melawan patogen yang resisten.

Kurang dari satu persen mikroorganisme yang ada telah dipelajari secara detail, sehingga diperkirakan jutaan archaea masih belum ditemukan, terutama di lingkungan ekstrem: dasar laut, zona tekanan tinggi, gradien kimia ekstrem, atau ceruk yang belum banyak diteliti. Setiap garis keturunan yang baru diidentifikasi mewakili sumber potensial dari enzim baru, antibiotik yang berbeda, dan jalur metabolisme yang unik dengan potensi bioteknologi.

Keanekaragaman hayati yang besar di antara mikroorganisme ekstremofil dan kemampuan mereka untuk mensintesis protein aktif dalam kondisi ekstrem telah membuka bidang yang menjanjikan dalam bioteknologi, karena banyak proses industri terjadi dalam kondisi ekstrem suhu, tekanan, kekuatan ionik, pH, dan keberadaan pelarut organik. Lebih lanjut, enzim-enzim ini dapat digunakan sebagai... model untuk mendesain protein yang dibuat khusus melalui rekayasa genetika, yang diadaptasi untuk aplikasi spesifik.

Meskipun archaea ditemukan sebagai kelompok terpisah relatif baru-baru ini dan budidayanya masih menantang dalam banyak kasus, kombinasi teknik pemuliaan selektif, metagenomik, pengurutan gen besar-besaran, dan biologi struktural mengungkapkan semakin banyak detail tentang keanekaragaman dan kemampuan mereka. Semua indikasi menunjukkan bahwa domain kehidupan ini, yang sangat beragam namun melimpah, masih memiliki banyak kontribusi baik untuk memahami asal usul kita maupun untuk mengembangkan teknologi yang lebih efisien dan berkelanjutan.