Thermococcus gammatolerans-en flagellate archaeon som trives i varme, oksygen-sultet farvann. Legg merke til tuftet av flagella. Denne mikroben lever i vann varmere enn CA 160F. Creative Commons Angels Tapias. Klikk på bildet for lisens og link.På 1970-tallet jobbet En uklar forsker Ved navn Carl Woese (uttalt «woes») på noe tilsynelatende ganske verdslig: å finne en måte å klassifisere bakterier på.Selv om det kan virke som en enkel oppgave, hadde bakterier hardnakket motstått alle tidligere forsøk. Den tradisjonelle metoden-ser på forskjeller i utseende, struktur og metabolisme og slags eyeballing det-hadde mislyktes. Bakterier ser ofte ut og handler mye likt uavhengig av deres sanne evolusjonære forhold.Store navn i mikrobiologi hadde gitt opp problemet for lenge siden. Men Woese hadde en ide: hva om bakterier kunne sorteres vitenskapelig ved å bruke deres genetiske materiale, som uttrykt i RNA som utgjorde deres ribosomer, proteinproduksjonsenhetene i cellen? De fleste ribosomale rna-mutasjoner er katastrofale for avkom som arver dem, gitt ribosomers kritiske betydning for å holde en celle i live, og dermed skjer endringer i ribosomalt RNA bare sjelden. Men i løpet av flere milliarder år har mikrobielt liv på Jorden eksistert, de skjer, noe som gjør dette molekylet til et lovende mål for å dømme forhold som strekker seg inn i dyp tid.Etter et tiår eller så med omhyggelig spalting av ribosomalt RNA i små biter og stirrer på disse sorterte biter på fotografiske filmer klippet til lysbokser-utallige timer med tedium drevet Av Dr. Pepper og bouts på en chin-up bar-Woese var godt på vei til å lage et bakterielt slektstre.

så skjedde det noe uventet. En kollega Ved Navn Ralph Wolfe foreslo han prøve sin metode på en uvanlig gruppe bakterier som gjorde metan. Selv om de kom i en pasta-lignende rekke former, virket deres biokjemi og metabolisme likt. Dette utdraget fra En 1997 Science artikkel Av Virginia Morell fanger sjokket av hva som skjedde neste:

men Da Woese studerte sine sekvenser, registrerte metanogenene ikke som bakterier. «De manglet helt oligonukleotidsekvensene som jeg hadde kommet for å gjenkjenne som karakteristisk for bakterier,» forklarer han. Tenker prøven hadde liksom blitt forurenset, kjørte han en ny en. «Og Det var Da Carl kom ned i hallen og rystet på hodet,» sier Wolfe. «Han fortalte meg,» Wolfe, disse tingene er ikke engang bakterier. Og jeg sa: ‘ro Deg Ned, Carl.; kom ut av bane. Selvfølgelig er de bakterier; de ser ut som bakterier.»Men Som Woese nå visste, betydde morfologi i bakterier ingenting. Bare deres molekyler fortalte historien. Og molekylene proklamerte at metanogenene ikke var som noen annen prokaryot eller eukaryot—de var noe for seg selv, en tredje gren av livet.

Carl Woese i 2004. Creative Commons-Wikipedia Klikk på bildet for lisens og kilde.

«Wolfe, disse tingene er ikke engang bakterier.»Da jeg leste den setningen, løp en chill opp i ryggraden min. Bare noen få mennesker på Jorden får noen gang oppleve Et slags slørløftende øyeblikk av den størrelsen-Einstein, Newton, Kepler, etc., kom til tankene-men ydmyke Carl Woese var en annen. Han hadde snublet over en modig ny verden av mikrober som så ut som bakterier i øynene våre, men var faktisk så unik biokjemisk og fysisk at de til slutt har vist seg å være nærmere knyttet til oss enn til dem. Han hadde snublet over en helt ny form for liv, her på Jorden.

Carl Woese døde Desember. 30. Woese er fortsatt lite kjent, selv blant ikke-mikrobielle biologer, men særlig blant publikum. Han utholdt et tiår eller mer av skepsis, latterliggjøring og utfrysing før hans observasjoner ble akseptert og ble dypt såret av den første reaksjonen; du kan og bør lese mer om Det I Science feature-historien jeg utdrag over (pay access required). I de senere år har Noen-inkludert redaksjonen På Nature Reviews Microbiology-presset For Woese å motta Nobelprisen for hans bidrag. Nå vil det aldri skje*.

Men Woese er ikke den eneste ukjente helten i denne historien**. Organismene han avslørte-archaea – er fascinerende og rikelig skapninger, men blir nesten aldri diskutert i dybden, selv innenfor mikrobiologiske klasser. Det er synd. Archaea er overalt-i dyphavsåpninger, i saltflater, i is, i sjøvann, i jord og i deg. De fortjener bedre publisitet.

Vurder følgende spennende punkter om Det Tredje Domenet:Archaea Gjør DNA og RNA på Måter Som Ser Ut Som Oss-Noe Som Innebærer En Interessant ting

på mange måter ser archaea mer ut som oss enn bakterier-men du må se nøye for å se det. «Oss» ville være eukaryotene, livsformer som huser DERES DNA i pakker kalt kjerner (blant mange andre egenskaper). Gruppen inneholder stort sett alt unntatt arkea og bakterier.Archaea har DNA-og RNA-polymeraser-enzymer som replikerer DNA og RNA-som ser ut som enklere versjoner av de som finnes i eukaryoter. Og deres enkle sirkulære kromosomer kan ha mer enn en opprinnelse av replikasjon, som eukaryoter, men i motsetning til bakterier.for å kondensere DERES DNA nok til å passe inn i en celle, bruker bakterier et protein som kalles gyrase for å vri DERES DNA i spoler. Archaea gjør dette også, men de vikler også DERES DNA rundt proteiner kalt histoner som igjen ser ut som enklere versjoner av histonene rundt hvilke eukaryoter vikler DERES DNA. Så vidt jeg vet, har bakterier ikke histoner.Disse overbevisende likhetene-som det er dypere i de biokjemiske ugresset som jeg utelater for plass – mellom arkaeal og eukaryote celler har ført til at noen antyder at i tillegg til bakteriell oppslukning / symbiose som skapte mitokondrier og kloroplaster, kan en annen mer mystisk symbiose eller kimerisme ha skjedd mellom en gammel arkaeon og bakterie for å produsere den første proto-eukaryote cellen. Eller det kan tyde på at eukaryoter faktisk utviklet seg fra arkea. Dette er en heftig debattert ide, og en som du vil se ytterligere bevis nedenfor.Bakterielle og eukaryote membranlipider har samme generelle struktur (andre fra toppmolekylet nedenfor): en fosfatgruppe (grønn) festet til en glyserol (rød) danner lipidhodet, mens to fettsyrer fra halen (rosa). Videre, som bakterier, er lipidenes glyserolhoder knyttet til deres fettsyrehaler med esterbindinger (gul).

Archaeal membran lipider ser veldig, veldig forskjellig fra både bakterier og eukaryoter (toppmolekyl, over). Archaea har haler bygget av enheter av forgrenet kjemisk isopren i stedet for fettsyrer, og deres 20-karbonhaler kalles fytanylgrupper (jeg nominerer fytanyl for Vokaleffektivt Ord I Uken). Disse lipidhaler kan forgrenes på enda mer komplekse måter enn vist ovenfor eller til og med innlemme ringer(se nedenfor) – galne former som bakterielle og eukaryotiske membranlipider aldri tar på seg, så vidt jeg vet.

Crenarchaeol, et ringet, forgrenet monolag membran lipid fra en arkaeon. Public domain.deres fytanylhaler er primært hekta på deres glyceroler ved hjelp av eter, ikke ester, bindinger (se 2 ovenfor), som motstår ødeleggelse bedre enn estere. Og deres glyceroler har motsatt handedness til glycerolene i våre membranlipider(merk speilorientering i bakterielle og archaeal lipider i figur).Molekylær handedness – chirality i kjemi-snakk – er ikke noe som endres lett av evolusjonen. For eksempel er det store flertallet av proteinbyggeblokker kalt aminosyrer som brukes av livet på Jorden, utelukkende «venstrehåndet». Hvorfor? Ingen vet egentlig, selv om noen har gjetninger. Når lefty aminosyrer overtok, var det imidlertid ingen å gå tilbake biokjemisk – enzymene ble satt opp på en bestemt måte, og det var det. Således, at archaeal og bakterielle enzymer bruker glyceroler med motsatt handedness innebærer at bakterier og archaea skiltes måter lenge, lenge siden.Noen archaeal lipider har en egenskap som sjelden eller aldri ses i bakterier eller eukaryoter. Bakterier og eukaryoter har membraner laget av lipid bilayers som flyter forbi hverandre (#9). Men archaeal phytanyl haler kan være kovalent bundet til hverandre for å danne et lipidmonolag (se #10 og bildet av crenarchaeol ovenfor).To hoder; en kropp – en membranhydra.

de forgrenede og retikulære fytanylhaler og lipidmonolagene ser alle ut til å være tilpasninger til skoldingstemperaturer. De kan bidra til å forhindre membranlekkasje eller peeling fra hverandre av et dobbeltlag i de vannet og ofte sure infernos der hypertermofile arkea lever.du kan også observere at i motsetning til de fleste av våre genetiske og proteinproduksjonsmaskiner, ligner våre lipider bakterier mye mer enn arkea. Er det også bevis på en gammel chimerisme?

Det Mystiske Fraværet av Archaeal Parasitter og Patogener

ingen åpenbart parasittiske eller patogene arkea har noen gang blitt funnet. Det er ikke å si at de ikke eksisterer. Archaea eksisterte lenge før vi fant dem, og nå ser vi at de er overalt. Mer om det om et minutt.

Men dette er et poeng verdt å tenke på (Et Talmudisk Spørsmål, A La Små Ting Vurderes?): hvorfor ser det ikke ut til å være noen åpenbare parasitter eller patogener i domenet? Bakterier og eukaryoter har gytt utallige ekle parasitter fra syphillis til veggdyr til misteltein Til Nigerianske Craigslist svindlere, og for Meg virker det veldig rart at en hel domene bør være blottet for dem.

er arkaeal kjemi så unik at de er dårlig rustet til å leve i høyere organismer? Nei, det ser absolutt ikke ut til å være tilfelle, som vi vil se nedenfor. Så hvorfor har de aldri krysset til den mørke siden? Er det noe grunnleggende om deres metabolisme eller kjemi?det nærmeste vi har funnet en potensielt patogen eller parasittisk arkaeon er Nanoarchaeum equitans, en av verdens minste celler. Den finnes i hydrotermiske ventiler overalt fra toppen av kontinenter – som Obsidian-Bassenget På Yellowstone – til havets dyp-som Midthavsryggen nær Island og under Arktis, en fordeling som i seg selv er verdt å tenke på hva det innebærer.

Uansett hvor den er funnet, lever den utelukkende på overflaten av en mye større arkaeon, Ignicoccus. Opp til 10 N. equitans kan belegge overflaten av en individuell Ignicoccus. Nanoarcheum kan ikke syntetisere lipider, de fleste nukleotider (byggesteinene I DNA og RNA) eller aminosyrer. Det må ta dem (stjele dem? bytte dem?) Fra Ingnicoccus.men i motsetning Til andre mikrobielle parasitter har n. equitans alt som er nødvendig for å reparere SITT EGET DNA og utføre DNA, RNA og proteinsyntese. Selv om Det tydeligvis ikke kan leve uten Ignicoccus, er det fortsatt uklart om Det er en symbiont eller en parasitt.Denne mangelen på åpenbare nasties betyr heller ikke at archaea er * fri * for parasitter eller patogener. Tvert imot forbruker mange ting archaea, og archaea er vert for et helt spekter av unikt formede (spindler, canes og teardrops) DNA-virus som trives i de samme helvete miljøene som kan avle archaea.

Her er en arkaeon kalt Sulfolobus fra en varm kilde I Kina som har flere spindelformede DNA-virus:

hypertermoacidophile archaeon Sulfolobus tengchongensis og dens spindelformede parasitt, viruset STSV1

den merkelige mangelen På archaeal patogener kan også ha bidratt Til Woeses vanskeligheter med å vinne Nobel. Det er Ikke Nobelprisen I Biologi; Det Er Nobelprisen i Fysiologi eller Medisin. Og uten noen åpenbare archaeal sykdommer, ville saken for hans pris nødvendigvis være indirekte.

Archaea er Overalt

da archaea ble avduket til verden, ble de i mange år tenkt på som ekstremofile weirdos. De bodde på steder som saltsletter, hydrotermiske ventiler, varme sure bassenger og metaninfiserte moser. De var ikke som normale mikrober.

og i mange tilfeller er det sant, på forbløffende fantastiske måter. Vi har oppdaget firkantede, flate arkea som deler seg i ark som frimerker som bor i saltpanner. De bruker proteiner som kalles (eroneously, åpenbart) bakteriorhodopsiner som er strukturelt og funksjonelt liknende – selv om de utviklet seg helt uavhengig-til vertebratøyproteinet rhodopsin for å lage energi fra lys. Andre arter av disse salt-elskende archaea kommer i en rekke polyhedral former i tillegg til firkanter, og noen ganger skifte former mellom generasjoner.

et frimerke som ark av firkantede celler Av Halquadratum walsbyi. Public domain. Klikk på bildet for kilde.Og Så Er Det Stamme 121, oppkalt etter sin evne til ikke bare å overleve, men å reprodusere VED 121C, drepetemperaturen på laboratorie – og medisinsk steriliseringsutstyr. Før oppdagelsen ble det ikke antatt at celler kunne overleve 15 minutter I 121c holdetemperaturringen av autoklaver. Stamme 121 kan overleve ved temperaturer opp TIL 130C og eksperimenter tyder på at det kan være archaeal arter som kan tolerere temperaturer på 140 TIL 150C. Lest du glemmer, koker vann ved 100C.

men archaea er vanskelig å kultur i laboratoriet (som det store flertallet av mikrober). Hva om det var mer der ute, skjult, enda en gang, i vanlig visning?Da vi begynte å lete ETTER archaeal DNA og ikke bekymre oss for å finne kroppene, oppdaget vi mikroberene praktisk talt overalt vi ser. Det inkluderer «normale» steder som sjøvann og havsediment, jord og pattedyrs tarm og skjede. De kan utgjøre 40% av den mikrobielle biomassen i det åpne hav (bakterier overgår fortsatt dem om 3 til 1) og kan utgjøre 20% Av Jordens totale biomasse. Til tross for deres varme-elskende rykte, Archaea er også å slå opp i svært kalde steder også, Som Arktisk sjøvann og is.

til vår overraskelse har vi funnet super-sized filamentous archaea nesten stor nok til å se med det blotte øye som bor på mangrove røtter. Vi har funnet metanogen archaea som interagerer med protozoer i tarmene til kyr og termitter for å hjelpe disse organismene å bryte cellulose ned for energi. Vi har til og med funnet en arkaeon som lever symbiotisk med-av alle ting-en svamp.Ingen tvil om at mange flere merkelige og fantastiske skapninger vil dukke opp når vi begynner å matche mikrober med DERES DNA-sekvenser-hvis vi bare bryr oss om å se.* Nobelprisene tildeles ikke posthumt, selv om de gjorde et unntak i fjor i et bemerkelsesverdig tilfelle.