Thermococcus gammatolerans Therm un archaeon flagellato che prospera in acque calde e affamate di ossigeno. Nota il ciuffo di flagelli. Questo microbo vive in acqua più calda di circa 160F. Creative Commons Angeli Tapias. Clicca sull’immagine per la licenza e il collegamento.

Nel 1970, un oscuro scienziato di nome Carl Woese (pronunciato “guai”) stava lavorando su qualcosa di apparentemente piuttosto banale: trovare un modo per classificare i batteri.

Anche se questo può sembrare un compito semplice, i batteri avevano ostinatamente resistito a tutti i tentativi precedenti. Il metodo tradizionale-guardando le differenze di aspetto, struttura e metabolismo e una sorta di eyeballing esso-aveva fallito. I batteri spesso guardare e agire molto simili indipendentemente dalla loro vera relazione evolutiva.

Grandi nomi della microbiologia avevano rinunciato al problema molto tempo fa. Ma Woese ha avuto un’idea: e se i batteri potessero essere ordinati scientificamente usando il loro materiale genetico, espresso nell’RNA che costituiva i loro ribosomi, le unità di produzione proteica della cellula? La maggior parte delle mutazioni dell’RNA ribosomiale sono catastrofiche per la prole che le eredita, data l’importanza critica dei ribosomi per mantenere viva una cellula, e quindi i cambiamenti nell’RNA ribosomiale avvengono solo raramente. Ma nel corso dei diversi miliardi di anni di vita microbica sulla Terra è esistito, accadono, rendendo questa molecola un bersaglio promettente per giudicare le relazioni che si estendono nel tempo profondo.

Dopo un decennio o giù di lì di faticosamente scissione RNA ribosomiale in piccoli pezzi e fissando questi bit ordinati su pellicole fotografiche ritagliate a scatole di luce-innumerevoli ore di tedio alimentato dal Dr. Pepper e attacchi a un bar chin-up-Woese era sulla buona strada per fare un albero genealogico batterico.

Poi, è successo qualcosa di inaspettato. Un collega di nome Ralph Wolfe ha suggerito di provare il suo metodo su un insolito gruppo di batteri che producevano metano. Anche se sono venuti in una varietà di forme di pasta-come, la loro biochimica e il metabolismo sembravano simili. Questo estratto da un articolo scientifico del 1997 di Virginia Morell cattura lo shock di quello che è successo dopo:

Ma quando Woese ha studiato le loro sequenze, i metanogeni non si sono registrati come batteri. “Mancavano completamente le sequenze oligonucleotidiche che ero arrivato a riconoscere come caratteristiche dei batteri”, spiega. Pensando che il campione fosse stato in qualche modo contaminato, ne ha eseguito uno nuovo. “E fu allora che Carl scese nel corridoio, scuotendo la testa”, dice Wolfe. “Mi ha detto, ‘Wolfe, queste cose non sono nemmeno batteri. E io dissi: ‘Ora calmati, Carl; esci dall’orbita. Certo, sono batteri; sembrano batteri.”Ma, come Woese ora sapeva, la morfologia nei batteri non significava nulla. Solo le loro molecole hanno raccontato la storia. E le molecole proclamarono che i metanogeni non erano come nessun altro procariote o eucariote-erano qualcosa a se stessi, un terzo ramo della vita.

Carl Woese nel 2004. Creative Commons Don Hamerman. Clicca sull’immagine per la licenza e la fonte.

“Wolfe, queste cose non sono nemmeno batteri.”Quando ho letto quella frase, un brivido mi ha colpito la schiena. Solo poche persone sulla Terra possono mai sperimentare una sorta di momento di sollevamento del velo di quella grandezza Einstein Einstein, Newton, Keplero, ecc., venire in mente Carl ma umile Carl Woese era un altro. Si era imbattuto in un nuovo mondo coraggioso di microbi che sembravano batteri ai nostri occhi, ma erano in realtà così unico biochimicamente e fisicamente che alla fine hanno dimostrato di essere più strettamente legati a noi che a loro. Si era imbattuto in una forma di vita completamente nuova, proprio qui sulla Terra.

Carl Woese è morto dicembre. 30. Woese rimane poco conosciuto, anche tra i biologi non microbici ma in particolare tra il pubblico. Ha sopportato un decennio o più di scetticismo, ridicolo e ostracismo prima che le sue osservazioni fossero accettate ed è stato profondamente ferito dalla reazione iniziale; puoi e dovresti leggere di più nella storia di Science feature che ho estratto sopra (accesso a pagamento richiesto). Negli ultimi anni, alcuni-incluso il comitato editoriale di Nature Reviews Microbiology-hanno spinto Woese a ricevere il premio Nobel per i suoi contributi. Ora, che non accadrà mai*.

Ma Woese non è l’unico eroe non celebrato in questa storia**. Gli organismi che ha rivelato-gli archaea-sono creature affascinanti e abbondanti, ma non sono quasi mai discussi in profondità, anche entro i confini delle classi di microbiologia. E ‘ un peccato. Gli Archaea sono ovunque in nelle bocche di mare profondo, nelle saline, nel ghiaccio, nell’acqua di mare, nel suolo e in voi. E meritano una pubblicità migliore.

Considera i seguenti punti intriganti sul Terzo dominio:

Archaea Crea DNA e RNA in modi che assomigliano a noi-Il che implica una cosa interessante

In molti modi, archaea assomiglia più a noi che ai batteri-ma devi guardare da vicino per vederlo. “Noi” sarebbero gli eucarioti, le forme di vita che ospitano il loro DNA in pacchetti chiamati nuclei (tra molti altri tratti). Il gruppo comprende praticamente tutto tranne archaea e batteri.

Archaea possiede DNA e RNA polimerasi-enzimi che replicano DNA e RNA-che sembrano versioni più semplici di quelli trovati negli eucarioti. E i loro singoli cromosomi circolari possono avere più di un’origine di replicazione, come gli eucarioti ma a differenza dei batteri.

Al fine di condensare il loro DNA abbastanza per adattarsi all’interno di una cellula, i batteri utilizzano una proteina chiamata girasi per torcere il loro DNA in bobine. Anche gli Archaea fanno questo, ma avvolgono il loro DNA attorno a proteine chiamate istoni che, ancora una volta, sembrano versioni più semplici degli istoni attorno ai quali gli eucarioti avvolgono il loro DNA. Per quanto ne so, i batteri non possiedono istoni.

Queste interessanti analogie-di cui ci sono più profonde in biochimica erbacce che sto omettendo per lo spazio-tra archaeal e cellule eucariotiche ha portato alcuni a suggerire che, oltre al batterica engulfment/simbiosi che ha creato mitocondri e cloroplasti, alcuni altri più misteriosa simbiosi o di chimerismo potrebbe essersi verificato tra un’antica ipertermofilo e batterio a produrre il primo proto-cellula eucariotica. Oppure potrebbe suggerire che gli eucarioti, infatti, si siano evoluti da archaea. Questa è un’idea molto dibattuta e per la quale vedrai ulteriori prove di seguito.

I rivestimenti esterni Archaeal sono diversi da qualsiasi altra cosa sulla Terra

I lipidi della membrana batterica ed eucariotica condividono la stessa struttura generale( secondo dalla molecola superiore sotto): un gruppo fosfato (verde) attaccato ad un glicerolo (rosso) forma la testa del lipido, mentre due acidi grassi dalla coda (rosa). Inoltre, come i batteri, le teste di glicerolo dei nostri lipidi sono collegate alle loro code di acidi grassi con legami di estere (giallo).

I lipidi della membrana Archaeal sembrano molto, molto diversi sia dai batteri che dagli eucarioti (molecola superiore, sopra). Archaea hanno code costruite di unità di isoprene chimico ramificato invece di acidi grassi, e le loro code di 20-carbonio sono chiamate gruppi fitanilici (nomino fitanile per vocale Parola efficiente della settimana). Queste code lipidiche possono essere ramificate in modi ancora più complessi di quelli mostrati sopra o addirittura incorporare anelli ( vedi sotto) shapes forme folli che i lipidi della membrana batterica ed eucariotica non assumono mai, per quanto ne so.

Crenarchaeol, un lipide di membrana monostrato anellato e ramificato da un archaeon. Di pubblico dominio.

Le loro code di fitanile sono principalmente agganciate ai loro gliceroli usando legami etere, non estere (vedi 2, sopra), che resistono alla distruzione meglio degli esteri. E i loro gliceroli hanno una mano opposta ai gliceroli nei nostri lipidi di membrana(nota l’orientamento dello specchio nei lipidi batterici e archaeal in figura).

La manualità molecolare-chiralità in chimica-parlare-non è una cosa cambiata facilmente dall’evoluzione. Ad esempio, la stragrande maggioranza dei blocchi di proteine chiamati amminoacidi utilizzati dalla vita sulla Terra sono esclusivamente “mancini”. Perché? Nessuno lo sa davvero, anche se alcuni hanno congetture. Una volta che gli amminoacidi lefty hanno preso il sopravvento, però, non c’era modo di tornare indietro biochimicamente the gli enzimi sono stati impostati in un certo modo e questo è stato. Quindi, che gli enzimi archaeal e batterici usano gliceroli con manualità opposta implica che i batteri e archaea si separarono molto, molto tempo fa.

Alcuni lipidi archaeal hanno una proprietà che è raramente o mai visto in batteri o eucarioti. I batteri e gli eucarioti hanno membrane fatte di doppi strati lipidici che scorrono l’uno accanto all’altro (#9). Ma le code di phytanyl archaeal possono essere legate covalentemente l’una all’altra per formare un monostrato lipidico (vedi #10 e l’immagine di crenarchaeol sopra).Due teste; un corpo hyd un’idra a membrana.

Le code fitaniliche ramificate e reticolate e i monostrati lipidici sembrano tutti adattamenti alle temperature di scottatura. Possono aiutare a prevenire perdite di membrana o il peeling a parte di un doppio strato negli inferni acquosi e spesso acidi in cui vivono gli archaea ipertermofili.

Si può anche osservare che, a differenza della maggior parte dei nostri macchinari di produzione genetica e proteine, i nostri lipidi assomigliano batteri molto più di archaea. È anche questa la prova di un antico chimerismo?

La misteriosa assenza di parassiti e patogeni Archaeal

Nessun archaea ovviamente parassitario o patogeno è mai stato trovato. Questo non vuol dire che non esistono. Archaea esisteva molto prima che li trovassimo, e ora vediamo che sono ovunque. Ne riparleremo tra un minuto.

Ma questo è un punto che vale la pena riflettere (una domanda talmudica, alla piccole cose considerate?): perché non sembrano esserci parassiti o agenti patogeni evidenti nel dominio? Batteri ed eucarioti hanno generato innumerevoli parassiti cattivi dalla sifilide alle cimici al vischio ai truffatori nigeriani di Craigslist, e per me sembra molto strano che un intero dominio ne sia privo.

La chimica archaeal è così unica che sono mal equipaggiati per vivere all’interno di organismi superiori? No, che certamente non sembra essere il caso, come vedremo più avanti. Allora perché non hanno mai attraversato il lato oscuro? È qualcosa di fondamentale nel loro metabolismo o chimica?

La cosa più vicina che abbiamo trovato ad un archaeon potenzialmente patogeno o parassita è Nanoarchaeum equitans, una delle cellule più piccole del mondo. Si trova nelle bocche idrotermali ovunque dalle cime dei continenti-come la Piscina di Ossidiana a Yellowstone-alle profondità degli oceani-come la dorsale medio-oceanica vicino all’Islanda e sotto l’Oceano Artico, una distribuzione che vale la pena di riflettere su ciò che implica.

Ovunque si trovi, vive esclusivamente sulla superficie di un archaeon molto più grande, Ignicoccus. Fino a 10 N. gli equitani possono rivestire la superficie di un singolo Ignicoccus. Nanoarcheum non può sintetizzare i lipidi, la maggior parte dei nucleotidi (i mattoni di DNA e RNA) o aminoacidi. Deve prenderli (rubarli? scambiarli?) da Ingnicoccus.

Ma a differenza di altri parassiti microbici, N. equitans ha tutto il necessario per riparare il proprio DNA ed effettuare la sintesi di DNA, RNA e proteine. Anche se chiaramente non può vivere senza Ignicoccus, se sia un simbionte o un parassita non è ancora chiaro.

Anche questa mancanza di evidenti nasties non significa che gli archaea siano *liberi* da parassiti o agenti patogeni. Al contrario, un sacco di cose consumano archaea, e archaea ospita un intero spettro di virus a DNA dalla forma unica (mandrini, canne e lacrime) che prosperano negli stessi ambienti infernali che possono allevare archaea.

Ecco un archaeon chiamato Sulfolobus da una sorgente calda in Cina con diversi virus a DNA a forma di fuso:

L’ipertermoacidofilo archaeon Sulfolobus tengchongensis e il suo parassita a forma di fuso, il virus STSV1

La strana mancanza di patogeni archaeal potrebbe anche aver contribuito alla difficoltà di Woese nel vincere il Nobel. Non è il Premio Nobel per la Biologia; è il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina. E senza ovvie malattie arcaiche, il caso del suo premio sarebbe necessariamente indiretto.

Gli Archaea sono ovunque

Quando gli archaea furono svelati al mondo, furono per molti anni considerati degli strambi estremofili. Vivevano in luoghi come saline, prese d’aria idrotermali, piscine acide calde e paludi infestate dal metano. Non erano come, sai, microbi normali.

E in molti casi, questo è vero, in modi incredibilmente meravigliosi. Abbiamo scoperto archaea quadrata e piatta che si dividono in fogli come francobolli che vivono nelle saline. Usano proteine chiamate (eroneously, ovviamente) bacteriorhodopsins che sono strutturalmente e funzionalmente simili-anche se evoluti in modo completamente indipendente-alla proteina dell’occhio vertebrato rodopsina per produrre energia dalla luce. Altre specie di questi archaea amante del sale sono disponibili in una varietà di forme poliedriche oltre ai quadrati e talvolta spostano le forme tra le generazioni.

Un francobollo come foglio delle celle quadrate di Halquadratum walsbyi. Di pubblico dominio. Fare clic sull’immagine per la fonte.

E poi c’è il ceppo 121, chiamato per la sua capacità non solo di sopravvivere, ma di riprodursi a 121C, la temperatura di uccisione delle apparecchiature di laboratorio e di sterilizzazione medica. Prima della sua scoperta, non si pensava che le cellule fossero in grado di sopravvivere 15 minuti nell’anello di temperatura di tenuta 121C delle autoclavi. Il ceppo 121 può sopravvivere a temperature fino a 130C e gli esperimenti suggeriscono che potrebbero esserci specie archaeal che possono tollerare temperature da 140 a 150C. Per non dimenticare, l’acqua bolle a 100C.

Ma gli archaea sono difficili da coltivare in laboratorio (come lo sono la stragrande maggioranza dei microbi). E se ce ne fossero altri là fuori, nascosti, ancora una volta, in bella vista?

Quando abbiamo iniziato a cercare il DNA archaeal e senza preoccuparci di trovare i corpi, abbiamo scoperto i microbi praticamente ovunque guardiamo. Ciò include luoghi “normali” come l’acqua di mare e i sedimenti oceanici, il suolo e l’intestino e la vagina dei mammiferi. Possono costituire il 40% della biomassa microbica nell’oceano aperto (i batteri li superano ancora da 3 a 1) e possono costituire il 20% della biomassa totale della Terra. Nonostante la loro reputazione di amanti del calore, gli Archaea si presentano anche in luoghi molto freddi, come l’acqua di mare artica e il ghiaccio.

Con nostra sorpresa, abbiamo trovato archaea filamentosa di dimensioni super grandi quasi abbastanza grandi da vedere ad occhio nudo che vivono sulle radici di mangrovie. Abbiamo trovato archaea metanogenici che interagiscono con i protozoi nelle viscere delle mucche e delle termiti per aiutare questi organismi a scomporre la cellulosa per ottenere energia. Abbiamo persino trovato un archaeon che vive simbioticamente con of di tutte le cose a una spugna.

Senza dubbio molte altre creature strane e meravigliose appariranno una volta che inizieremo ad abbinare i microbi con le loro sequenze di DNA if se solo ci interessa guardare.

*I premi Nobel non vengono assegnati postumi, sebbene abbiano fatto un’eccezione l’anno scorso in un caso notevole.