Thermococcus gammatolerans a un archaeon flagelado que prospera en aguas calientes y carentes de oxígeno. Fíjate en el penacho de flagelos. Este microbio vive en agua más caliente que alrededor de 160F. Creative Commons Angels Tapias. Haga clic en la imagen para obtener la licencia y el enlace.

En la década de 1970, un científico desconocido llamado Carl Woese (pronunciado «aflicciones») estaba trabajando en algo aparentemente bastante mundano: encontrar una manera de clasificar las bacterias.

Aunque eso puede parecer una tarea sencilla, las bacterias se habían resistido obstinadamente a todos los intentos anteriores. El método tradicional, mirando las diferencias en apariencia, estructura y metabolismo y mirándolo fijamente, había fracasado. Las bacterias a menudo se ven y actúan muy parecidas, independientemente de su verdadera relación evolutiva.

Grandes nombres en microbiología habían abandonado el problema hace mucho tiempo. Pero Woese tuvo una idea: ¿qué pasaría si las bacterias pudieran clasificarse científicamente utilizando su material genético, expresado en el ARN que compone sus ribosomas, las unidades de producción de proteínas de la célula? La mayoría de las mutaciones de ARN ribosómico son catastróficas para los descendientes que las heredan, dada la importancia crítica de los ribosomas para mantener viva una célula, y por lo tanto los cambios en el ARN ribosómico ocurren solo en raras ocasiones. Pero a lo largo de los varios miles de millones de años de existencia de vida microbiana en la Tierra, ocurren, haciendo de esta molécula un objetivo prometedor para juzgar relaciones que se extienden en el tiempo profundo.

Después de una década más o menos de cortar cuidadosamente ARN ribosómico en pequeños trozos y mirar estos trozos ordenados en películas fotográficas recortadas en cajas de luz, incontables horas de tedio alimentadas por Dr. Pepper y peleas en una barra de dominadas, Woese estaba en camino de hacer un árbol genealógico bacteriano.

Entonces, algo inesperado sucedió. Un colega llamado Ralph Wolfe sugirió que probara su método con un grupo inusual de bacterias que producían metano. Aunque venían en una variedad de formas similar a la pasta, su bioquímica y metabolismo parecían similares. Este extracto de un artículo científico de Virginia Morell de 1997 captura el impacto de lo que sucedió a continuación:

Pero cuando Woese estudió sus secuencias, los metanógenos no se registraron como bacterias. «Les faltaban por completo las secuencias de oligonucleótidos que había llegado a reconocer como características de las bacterias», explica. Pensando que la muestra de alguna manera había sido contaminada, hizo una nueva. «Y ahí fue cuando Carl bajó por el pasillo, sacudiendo la cabeza», dice Wolfe. «Me dijo: ‘Wolfe, estas cosas ni siquiera son bacterias. Y yo dije, Ahora, cálmate, Carl; sal de órbita. Por supuesto, son bacterias; parecen bacterias.»Pero, como Woese sabía ahora, la morfología de las bacterias no significaba nada. Solo sus moléculas contaban la historia. Y las moléculas proclamaban que los metanógenos no eran como cualquier otro procariota o eucariota, eran algo en sí mismos, una tercera rama de la vida.

Carl Woese en 2004. Don Hamerman de Creative Commons. Haga clic en imagen para ver la licencia y el origen.

«Wolfe, estas cosas ni siquiera son bacterias.»Cuando leí esa frase, un escalofrío corrió por mi columna vertebral. Solo unas pocas personas en la Tierra llegan a experimentar una especie de momento de levantamiento de velos de esa magnitud: Einstein, Newton, Kepler, etc., me viene a la mente Carl pero el humilde Carl Woese era otro. Se había topado con un nuevo y valiente mundo de microbios que parecían bacterias a nuestros ojos, pero que de hecho eran tan únicos bioquímica y físicamente que finalmente han demostrado estar más estrechamente relacionados con nosotros que con ellos. Había tropezado con una forma de vida completamente nueva, aquí mismo en la Tierra.

Carl Woese murió en diciembre. 30. Woese sigue siendo poco conocido, incluso entre los biólogos no microbianos, pero particularmente entre el público. Soportó una década o más de escepticismo, ridículo y ostracismo antes de que sus observaciones fueran aceptadas y se sintiera profundamente herido por la reacción inicial; puede y debe leer más sobre eso en el artículo de Ciencia que he extraído anteriormente (se requiere acceso de pago). En los últimos años, algunos, incluido el consejo editorial de Nature Reviews Microbiology, presionaron para que Woese recibiera el premio Nobel por sus contribuciones. Ahora, eso nunca sucederá*.

Pero Woese no es el único héroe desconocido en esta historia**. Los organismos que reveló, las arqueas, son criaturas fascinantes y abundantes, sin embargo, casi nunca se discuten en profundidad, incluso dentro de los confines de las clases de microbiología. Es una pena. Las arqueas están en todas partes, en los respiraderos de las profundidades marinas, en las salinas, en el hielo, en el agua de mar, en el suelo y en ti. Y merecen una mejor publicidad.

Considere los siguientes puntos intrigantes sobre el Tercer Dominio:

Las arqueas Fabrican ADN y ARN de Formas que Se Parecen a Nosotros, lo que implica algo Interesante

En muchos sentidos, las arqueas se parecen más a nosotros que a las bacterias, pero hay que mirarlas de cerca para verlas. «Nosotros» serían los eucariotas, las formas de vida que albergan su ADN en paquetes llamados núcleos (entre muchos otros rasgos). El grupo incluye casi todo, excepto arqueas y bacterias.

Las arqueas poseen polimerasas de ADN y ARN, enzimas que replican ADN y ARN, que parecen versiones más simples de las que se encuentran en los eucariotas. Y sus cromosomas circulares individuales pueden tener más de un origen de replicación, como los eucariotas, pero a diferencia de las bacterias.

Para condensar su ADN lo suficiente como para caber dentro de una célula, las bacterias usan una proteína llamada girasa para torcer su ADN en bobinas. Las arqueas también hacen esto, pero también envuelven su ADN alrededor de proteínas llamadas histonas que, de nuevo, parecen versiones más simples de las histonas alrededor de las cuales los eucariotas envuelven su ADN. Que yo sepa, las bacterias no poseen histonas.

Estas similitudes convincentes, de las cuales hay más profundas en las malas hierbas bioquímicas que omito para el espacio, entre las células arqueales y eucariotas han llevado a algunos a sugerir que, además de la envoltura/simbiosis bacteriana que creó las mitocondrias y los cloroplastos, puede haber ocurrido alguna otra simbiosis o quimerismo más misterioso entre un arcaeón antiguo y una bacteria para producir la primera célula protoecuariótica. O puede sugerir que los eucariotas, de hecho, evolucionaron a partir de arqueas. Esta es una idea muy debatida, y una de la cual verá más evidencia a continuación.

Los recubrimientos Exteriores Arqueales Son Diferentes a Cualquier Otra cosa en la Tierra

Los lípidos de membrana bacteriana y eucariótica comparten la misma estructura general (segundo de la molécula superior a continuación): un grupo fosfato (verde) unido a un glicerol (rojo) forma la cabeza del lípido, mientras que dos ácidos grasos de la cola (rosa). Además, al igual que las bacterias, las cabezas de glicerol de nuestros lípidos están unidas a sus colas de ácidos grasos con enlaces éster (amarillo).

Los lípidos de la membrana arqueal se ven muy, muy diferentes de las bacterias y de los eucariotas (molécula superior, arriba). Las arqueas tienen colas construidas de unidades del isopreno químico ramificado en lugar de ácidos grasos, y sus colas de 20 carbonos se llaman grupos fitanilo (Yo nomino a fitanilo para la Palabra Vocálica Eficiente de la Semana). Estas colas lipídicas pueden ramificarse de formas aún más complejas que las mostradas arriba o incluso incorporar anillos (ver más abajo) shapes formas locas que los lípidos de membrana bacteriana y eucariótica nunca toman, por lo que sé.

Crenarchaeol, un lípido de membrana monocapa anillado y ramificado de una archaeon. Dominio público.

Sus colas de fitanilo están enganchadas principalmente a sus gliceroles utilizando enlaces éter, no éster (véase 2, arriba), que resisten mejor la destrucción que los ésteres. Y sus gliceroles tienen manos opuestas a los gliceroles de nuestros lípidos de membrana (observe la orientación de espejo en los lípidos bacterianos y arqueales en la figura).

Molecular imparcialidad — quiralidad en química-hablar, ya que no es una cosa que cambia fácilmente por la evolución. Por ejemplo, la gran mayoría de los bloques de construcción de proteínas llamados aminoácidos utilizados por la vida en la Tierra son exclusivamente «zurdos». ¿Por qué? Nadie lo sabe realmente, aunque algunos tienen conjeturas. Una vez que los aminoácidos izquierdos se hicieron cargo, sin embargo, no había vuelta atrás bioquímicamente the las enzimas se establecieron de cierta manera y eso fue todo. Por lo tanto, que las enzimas arqueológicas y bacterianas usen gliceroles con manos opuestas implica que las bacterias y las arqueas se separaron hace mucho, mucho tiempo.

Algunos lípidos arqueales tienen una propiedad que rara vez o nunca se ve en bacterias o eucariotas. Las bacterias y los eucariotas tienen membranas hechas de bicapas lipídicas que fluyen una a la otra (#9). Pero las colas de fitanilo arqueales se pueden unir covalentemente entre sí para formar una monocapa lipídica (ver #10 y la imagen de crenarcaeol arriba).Dos cabezas, un cuerpo a una hidra de membrana.

Las colas de fitanilo ramificadas y reticuladas y las monocapas lipídicas parecen ser adaptaciones a temperaturas escaldadas. Pueden ayudar a prevenir fugas de membrana o la descamación de una bicapa en los infiernos acuosos y a menudo ácidos en los que viven las arqueas hipertermofílicas.

También puede observar que, a diferencia de la mayoría de nuestra maquinaria genética y de fabricación de proteínas, nuestros lípidos se parecen mucho más a las bacterias que a las arqueas. ¿Eso también es evidencia de un quimerismo antiguo?

La Misteriosa Ausencia de Parásitos Arqueales y Patógenos

Nunca se han encontrado arqueas obviamente parasitarias o patógenas. Eso no quiere decir que no existan. Las Arqueas existían mucho antes de que las encontráramos, y ahora vemos que están en todas partes. Más sobre eso en un minuto.

Pero este es un punto que vale la pena ponderar (una pregunta Talmúdica, a la Small Things Considered?): ¿por qué parece que no hay parásitos o patógenos obvios en el dominio? Las bacterias y los eucariotas han engendrado innumerables parásitos desagradables, desde sífilos hasta chinches, muérdago y estafadores nigerianos, y me parece muy extraño que todo un dominio esté desprovisto de ellos.

¿Es la química arqueal tan única que no están bien equipadas para vivir dentro de organismos superiores? No, ciertamente no parece ser el caso, como veremos más adelante. Entonces, ¿por qué nunca han cruzado al lado oscuro? ¿Es algo fundamental sobre su metabolismo o química?

Lo más cercano que hemos encontrado a un archaeon potencialmente patógeno o parásito es Nanoarchaeum equitans, una de las células más pequeñas del mundo. Se encuentra en respiraderos hidrotermales en todas partes, desde las cimas de los continentes, como la Piscina de Obsidiana en Yellowstone, hasta las profundidades de los océanos, como la Cresta Oceánica Media cerca de Islandia y debajo del Océano Ártico, una distribución que vale la pena considerar por lo que implica.

Dondequiera que se encuentre, vive exclusivamente en la superficie de un arcaeón mucho más grande, Ignicoccus. Hasta 10 N. equitans puede cubrir la superficie de un individuo Ignicoccus. El nanoarqueo no puede sintetizar lípidos, la mayoría de los nucleótidos (los componentes básicos del ADN y el ARN) o aminoácidos. Debe tomarlos (¿robarlos? ¿cambiarlos?) de Ingnicoccus.

Pero a diferencia de otros parásitos microbianos, N. equitans tiene todo lo necesario para reparar su propio ADN y llevar a cabo la síntesis de ADN, ARN y proteínas. Aunque claramente no puede vivir sin Ignicoccus, aún no está claro si es un simbionte o un parásito.

Esta falta de desagradables obvios tampoco significa que las arqueas estén * libres* de parásitos o patógenos. Por el contrario, muchas cosas consumen archaea, y las archaea albergan un espectro completo de virus de ADN de forma única (husos, bastones y lágrimas) que prosperan en los mismos entornos infernales que pueden criar archaea.

Aquí hay un archaeon llamado Sulfolobus de una fuente termal en China con varios virus de ADN en forma de huso:

El archaeon hipertermoacidófilo Sulfolobus tengchongensis y su parásito en forma de huso, el virus STSV1

La extraña falta de patógenos arqueales también puede haber contribuido a la dificultad de Woese para ganar el Nobel. No es el Premio Nobel de Biología, es el Premio Nobel de Fisiología o Medicina. Y sin ninguna enfermedad arqueal obvia, el caso de su premio sería necesariamente indirecto.

Las arqueas están en todas partes

Cuando las arqueas se dieron a conocer al mundo, durante muchos años se las pensó como rarezas extremófilas. Vivían en lugares como salinas, respiraderos hidrotermales, piscinas ácidas calientes y pantanos infestados de metano. No eran como, ya sabes, microbios normales.

Y en muchos casos, eso es cierto, de maneras asombrosamente maravillosas. Hemos descubierto arqueas cuadradas y planas que se dividen en hojas como sellos postales que viven en salinas. Utilizan proteínas llamadas (en forma erónica, obviamente) bacteriorodopsinas que son estructural y funcionalmente similares, aunque evolucionadas de forma completamente independiente, a la proteína ocular de los vertebrados rodopsina para producir energía a partir de la luz. Otras especies de estas arqueas amantes de la sal vienen en una variedad de formas poliédricas además de cuadrados, y a veces cambian de forma entre generaciones.

Una hoja con sello postal de las celdas cuadradas de Halquadratum walsbyi. Dominio público. Haga clic en la imagen para ver la fuente.

Y luego está la cepa 121, llamada así por su capacidad no solo de sobrevivir, sino de reproducirse a 121C, la temperatura de muerte del equipo de esterilización médica y de laboratorio. Antes de su descubrimiento, no se creía que las células fueran capaces de sobrevivir 15 minutos en el anillo de temperatura de retención 121C de las autoclaves. La cepa 121 puede sobrevivir a temperaturas de hasta 130 ° C y los experimentos sugieren que puede haber especies de arqueas que pueden tolerar temperaturas de 140 a 150 ° C. Para que no lo olvides, el agua hierve a 100 ° C.

Pero las arqueas son difíciles de cultivar en laboratorio (al igual que la gran mayoría de los microbios). ¿Y si hubiera más por ahí, ocultos, una vez más, a la vista de todos?

Cuando empezamos a buscar ADN arqueal y a no preocuparnos por encontrar los cuerpos, descubrimos los microbios prácticamente en todas partes. Esto incluye lugares «normales» como el agua de mar y los sedimentos oceánicos, el suelo y el intestino y la vagina de los mamíferos. Pueden representar el 40% de la biomasa microbiana en el océano abierto (las bacterias todavía las superan en número entre 3 y 1) y pueden representar el 20% de la biomasa total de la Tierra. A pesar de su reputación de amante del calor, las arqueas también están apareciendo en lugares muy fríos, como el agua de mar y el hielo árticos.

Para nuestra sorpresa, hemos encontrado arqueas filamentosas de gran tamaño casi lo suficientemente grandes como para ver a simple vista viviendo en raíces de manglares. Hemos encontrado arqueas metanogénicas que interactúan con protozoos en las entrañas de vacas y termitas para ayudar a estos organismos a descomponer la celulosa para obtener energía. Incluso hemos encontrado un archaeon que vive simbióticamente con of de todas las cosas a una esponja.

Sin duda, muchas más criaturas extrañas y maravillosas aparecerán una vez que comencemos a emparejar los microbios con sus secuencias de ADN if si solo nos preocupamos por mirar.

*Los premios Nobel no se otorgan a título póstumo, aunque hicieron una excepción el año pasado en un caso notable.