thermococcus gammatolerans-un archaeon flagelat care prosperă în apele fierbinți, înfometate de oxigen. Rețineți smocul de flagel. Acest microb trăiește în apă mai fierbinte decât aproximativ 160F. Creative Commons Angels Tapias. Click pe imagine pentru licență și link-ul.

în anii 1970, un om de știință obscur pe nume Carl Woese (pronunțat „woes”) lucra la ceva aparent destul de banal: găsirea unei modalități de clasificare a bacteriilor.deși poate părea o sarcină simplă, bacteriile au rezistat cu încăpățânare tuturor încercărilor anterioare. Metoda tradițională — privind diferențele de aspect, structură și metabolism și privindu-l într-un fel — eșuase. Bacteriile arată și acționează adesea la fel, indiferent de adevărata lor relație evolutivă.

nume mari din microbiologie au renunțat la această problemă cu mult timp în urmă. Dar Woese a avut o idee: ce se întâmplă dacă bacteriile ar putea fi sortate științific folosind materialul lor genetic, așa cum este exprimat în ARN-ul care alcătuia ribozomii lor, unitățile de producție de proteine ale celulei? Majoritatea mutațiilor ARN ribozomale sunt catastrofale pentru descendenții care le moștenesc, având în vedere importanța critică a ribozomilor pentru menținerea unei celule în viață și, prin urmare, modificările ARN ribozomal se întâmplă doar rar. Dar de-a lungul celor câteva miliarde de ani de viață microbiană de pe Pământ, ele se întâmplă, făcând din această moleculă o țintă promițătoare pentru a judeca relațiile care se întind în timp profund.

după un deceniu de scindare minuțioasă a ARN-ului ribozomal în bucăți mici și uitându-se la acești biți Sortați pe filme fotografice tăiate în cutii luminoase-nenumărate ore de plictiseală alimentate de Dr.Pepper și crize la un bar de bărbie-up-Woese era pe cale să facă un arbore genealogic bacterian.

apoi, s-a întâmplat ceva neașteptat. Un coleg pe nume Ralph Wolfe i-a sugerat să încerce metoda sa pe un grup neobișnuit de bacterii care produceau metan. Deși au venit într-o varietate de forme asemănătoare pastelor, biochimia și metabolismul lor păreau la fel. Acest fragment dintr-un articol științific din 1997 de Virginia Morell surprinde șocul a ceea ce s-a întâmplat în continuare:

dar când Woese și-a studiat secvențele, metanogenii nu s-au înregistrat ca bacterii. „Le lipseau complet secvențele de oligonucleotide pe care ajunsesem să le recunosc ca fiind caracteristice bacteriilor”, explică el. Crezând că mostra a fost cumva contaminată, a făcut una nouă. „Și atunci Carl a coborât pe hol, clătinând din cap”, spune Wolfe. Mi-a spus: „Wolfe, aceste lucruri nici măcar nu sunt bacterii.’Și am spus,’ acum, calmează-te, Carl; ieșiți de pe orbită. Desigur, sunt bacterii; arată ca bacterii.”Dar, așa cum Woese știa acum, morfologia bacteriilor nu însemna nimic. Doar moleculele lor au spus povestea. Și moleculele proclamau că metanogenii nu erau ca orice alt procariot sau eucariot—erau ceva pentru ei înșiși, o a treia ramură a vieții.

Carl Woese în 2004. Creative Commons Don Hamerman. Click pe imagine pentru licență și sursă.

„Wolfe, aceste lucruri nu sunt nici măcar bacterii.”Când am citit acea propoziție, un fior mi-a alergat pe coloana vertebrală. Doar câțiva oameni de pe Pământ ajung vreodată să experimenteze un fel de moment de ridicare a vălului de această magnitudine — Einstein, Newton, Kepler etc., vin în minte – dar umil Carl Woese a fost un alt. El a dat peste o nouă lume curajoasă de microbi care arătau ca niște bacterii pentru ochii noștri, dar erau de fapt atât de unici din punct de vedere biochimic și fizic încât s-au dovedit în cele din urmă a fi mai strâns legați de noi decât de ei. El a dat peste o cu totul nouă formă de viață, chiar aici pe Pământ.

Carl Woese a murit în decembrie. 30. Woese rămâne puțin cunoscut, chiar și în rândul biologilor non-microbieni, dar în special în rândul publicului. A îndurat un deceniu sau mai mult de scepticism, ridicol și ostracism înainte ca observațiile sale să fie acceptate și a fost profund rănit de reacția inițială; puteți și ar trebui să citiți mai multe despre asta în povestea științifică pe care am extras-o mai sus (este necesar accesul la plată). În ultimii ani, unii-inclusiv consiliul editorial de la Nature Reviews Microbiology-au cerut ca Woese să primească Premiul Nobel pentru contribuțiile sale. Acum, asta nu se va întâmpla niciodată*.dar Woese nu este singurul erou necunoscut din această poveste. Organismele pe care le-a dezvăluit-archaea-sunt creaturi fascinante și abundente, dar sunt rareori discutate în profunzime, chiar și în limitele claselor de Microbiologie. Ce păcat. Archaea sunt peste tot-în guri de aerisire de mare adâncime, în apartamente de sare, în gheață, în apă de mare, în sol, și în tine. Și merită o publicitate mai bună.

luați în considerare următoarele puncte interesante despre Al treilea domeniu:

Archaea face ADN-ul și ARN-ul în moduri care arată ca noi — ceea ce implică un lucru interesant

în multe privințe, archaea arată mai mult ca noi decât bacteriile — dar trebuie să te uiți atent pentru a-l vedea. „Noi” ar fi eucariotele, formele de viață care își adăpostesc ADN-ul în pachete numite nuclee (printre multe alte trăsături). Grupul include aproape totul, cu excepția arheei și a bacteriilor.

Archaea posedă ADN și ARN polimeraze-enzime care reproduc ADN și ARN-care arată ca versiuni mai simple ale celor găsite în eucariote. Și cromozomii lor circulari unici pot avea mai multe origini de replicare, cum ar fi eucariotele, dar spre deosebire de bacterii.pentru a-și condensa ADN-ul suficient pentru a se potrivi într-o celulă, bacteriile folosesc o proteină numită girază pentru a-și răsuci ADN-ul în bobine. Archaea face și acest lucru, dar își înfășoară ADN-ul în jurul proteinelor numite histone care, din nou, arată ca versiuni mai simple ale histonelor în jurul cărora eucariotele își înfășoară ADN-ul. Din câte știu, bacteriile nu posedă histone.

aceste asemănări convingătoare-dintre care există mai profunde în buruienile biochimice pe care le omit pentru spațiu-între celulele arhaice și eucariote au determinat pe unii să sugereze că, în plus față de înghițirea / simbioza bacteriană care a creat mitocondriile și cloroplastele, o altă simbioză sau chimerism mai misterios ar fi putut avea loc între un arhaeon antic și bacterie pentru a produce prima celulă proto-eucariotă. Sau poate sugera că eucariotele, de fapt, au evoluat din archaea. Aceasta este o idee aprig dezbătută și una pentru care veți vedea mai multe dovezi mai jos.

acoperirile exterioare arhaice sunt spre deosebire de orice altceva de pe Pământ

lipidele membranei bacteriene și eucariote au aceeași structură generală (a doua din molecula de sus de mai jos): o grupare fosfat (verde) atașată la un glicerol (roșu) formează capul lipidei, în timp ce doi acizi grași din coadă (roz). Mai mult, la fel ca bacteriile, capetele de glicerol ale lipidelor noastre sunt legate de cozile lor de acizi grași cu legături esterice (galbene).

lipidele membranei arhaice arată foarte, foarte diferit atât de bacterii, cât și de eucariote (molecula de sus, deasupra). Archaea au cozi construite din unități ale izoprenului chimic ramificat în loc de acizi grași, iar cozile lor de 20 de carbon sunt numite grupări fitanil (nominalizez fitanilul pentru cuvântul eficient vocal al săptămânii). Aceste cozi lipidice pot fi ramificate în moduri și mai complexe decât cele prezentate mai sus sau chiar încorporează inele(vezi mai jos) – forme nebunești pe care lipidele membranei bacteriene și eucariote nu le iau niciodată, din câte știu.

Crenarchaeol, o lipidă cu membrană monostrat ramificată inelată dintr-un arheon. Domeniul Public.

cozile lor de fitanil sunt în primul rând legate de glicerolii lor folosind legături eterice, nu esterice (vezi 2, de mai sus), care rezistă distrugerii mai bine decât esterii. Și glicerolii lor au o mână opusă glicerolilor din lipidele noastre membranare (rețineți orientarea oglinzii în lipidele bacteriene și arhaice din figura).

manipularea moleculară-chiralitatea în chimie-vorbirea-nu este un lucru schimbat cu ușurință de evoluție. De exemplu, marea majoritate a blocurilor de proteine numite aminoacizi folosiți de viața de pe Pământ sunt exclusiv „stângaci”. De ce? Nimeni nu știe cu adevărat, deși unii au presupuneri. Odată ce aminoacizii lefty au preluat, totuși, nu a existat nicio întoarcere biochimică-enzimele au fost înființate într-un anumit fel și asta a fost tot. Astfel, faptul că enzimele arhaice și bacteriene folosesc gliceroli cu mână opusă implică faptul că bacteriile și archaea s-au despărțit cu mult, mult timp în urmă.

unele lipide arhaice au o proprietate care este rar sau niciodată văzută în bacterii sau eucariote. Bacteriile și eucariotele au membrane formate din bistraturi lipidice care curg una peste alta (#9). Dar cozile de fitanil arhaeal pot fi legate covalent între ele pentru a forma un monostrat lipidic (vezi #10 și imaginea crenarchaeolului de mai sus).Două capete, un corp, o hidră cu membrană.

cozile de fitanil ramificate și reticulate și monostraturile lipidice par a fi adaptări la temperaturile de opărire. Acestea pot ajuta la prevenirea scurgerilor de membrană sau la desprinderea unui strat dublu în infernurile apoase și adesea acide în care trăiesc arhaele hipertermofile.

puteți observa, de asemenea, că, spre deosebire de majoritatea mașinilor noastre genetice și de fabricare a proteinelor, lipidele noastre seamănă cu bacteriile mult mai mult decât archaea. Este și asta o dovadă a unui himerism antic?

absența misterioasă a paraziților arhaici și a agenților patogeni

nu s-au găsit vreodată arhee evident parazitare sau patogene. Asta nu înseamnă că nu există. Archaea a existat cu mult înainte de a le găsi, iar acum vedem că sunt peste tot. Mai multe despre asta într-un minut.

dar acesta este un punct în valoare de reflecție (o întrebare talmudică, a la lucruri mici luate în considerare?): de ce nu par să existe paraziți sau agenți patogeni evidenți în domeniu? Bacteriile și eucariotele au dat naștere nenumăraților paraziți urâți de la syphillis la ploșnițe până la vâsc până la escrocii nigerieni de Craigslist și mi se pare foarte ciudat că un întreg domeniu ar trebui să fie lipsit de ele.

este chimia archaeală atât de unică încât sunt prost echipate pentru a trăi în interiorul organismelor superioare? Nu, cu siguranță nu pare să fie cazul, așa cum vom vedea mai jos. Deci, de ce nu au trecut niciodată în partea întunecată? Este ceva fundamental despre metabolismul sau chimia lor?

cel mai apropiat lucru pe care l-am găsit de un archaeon potențial patogen sau parazitar este Nanoarchaeum equitans, una dintre cele mai mici celule din lume. Se găsește în orificii hidrotermale peste tot, de pe vârfurile continentelor — cum ar fi bazinul de Obsidian de la Yellowstone — până în adâncurile oceanelor — cum ar fi creasta Mid-Ocean de lângă Islanda și sub Oceanul Arctic, o distribuție care merită în sine să ne gândim la ceea ce implică.

oriunde se găsește, trăiește exclusiv pe suprafața unui arhaeon mult mai mare, Ignicoccus. Până la 10 N. equitanii pot acoperi suprafața unui Ignicoccus individual. Nanoarcheum nu poate sintetiza lipide, cele mai multe nucleotide (blocurile de ADN și ARN) sau aminoacizi. Trebuie să le ia(să le fure ? să le schimb?) din Ingnicoccus.dar ,spre deosebire de alți paraziți microbieni, N. equitans are tot ce este necesar pentru a-și repara propriul ADN și pentru a efectua sinteza ADN, ARN și proteine. Deși în mod clar nu poate trăi fără Ignicoccus, dacă este un simbiont sau un parazit este încă neclar.

această lipsă de nasties evidente, de asemenea, nu înseamnă că archaea sunt *libere* de paraziți sau agenți patogeni. Dimpotrivă, o mulțime de lucruri consumă archaea, iar archaea găzduiește un întreg spectru de virusuri ADN în formă unică (fusuri, bastoane și lacrimi) care prosperă în aceleași medii infernale care pot reproduce archaea.

Iată un arheon numit Sulfolobus dintr-un izvor fierbinte din China care prezintă mai multe virusuri ADN în formă de fus:

hipertermoacidofilul archaeon Sulfolobus tengchongensis și parazitul său în formă de fus, virusul STSV1

lipsa ciudată de agenți patogeni arhaici ar fi putut contribui, de asemenea, la dificultatea lui Woese de a câștiga Premiul Nobel. Nu este Premiul Nobel pentru biologie; este Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină. Și fără boli arhaice evidente, cazul premiului său ar fi neapărat indirect.

Archaea sunt peste tot

când archaea au fost dezvăluite lumii, au fost mulți ani considerați ciudați extremofili. Locuiau în locuri precum apartamente de sare, orificii hidrotermale, bazine acide fierbinți și mlaștini infestate cu metan. Nu erau microbi normali.

și în multe cazuri, acest lucru este adevărat, în moduri uimitor de minunate. Am descoperit archaea pătrată, plată, care se împarte în foi ca timbrele poștale care trăiesc în saline. Ei folosesc proteine numite (eroneously, evident) bacteriorhodopsins care sunt similare structural și funcțional-deși a evoluat complet independent-la vertebrate rodopsina proteine ochi pentru a face energie din lumina. Alte specii ale acestor arhee iubitoare de sare vin într-o varietate de forme poliedrice pe lângă pătrate și uneori schimbă forme între generații.

un timbru poștal ca foaie de celule pătrate de halquadratum walsbyi. Domeniul Public. Click pe imagine pentru sursa.

și apoi există tulpina 121, numită pentru capacitatea sa nu doar de a supraviețui, ci de a reproduce la 121C, temperatura de ucidere a echipamentelor de laborator și de sterilizare medicală. Înainte de descoperirea sa, nu s-a crezut că există celule capabile să supraviețuiască 15 minute în inelul de temperatură de 121C al autoclavelor. Tulpina 121 poate supraviețui la temperaturi de până la 130C, iar experimentele sugerează că pot exista specii arhaice care pot tolera temperaturi de 140 până la 150C. ca să nu uitați, apa fierbe la 100C.

dar archaea sunt greu de cultivat în laborator (la fel ca marea majoritate a microbilor). Ce se întâmplă dacă ar exista mai multe acolo, ascunse, încă o dată, la vedere?

când am început să căutăm ADN arhaic și să nu ne facem griji că vom găsi corpurile, am descoperit microbii practic oriunde ne uităm. Aceasta include locuri „normale”, cum ar fi apa de mare și sedimentele oceanice, solul și intestinul și vaginul mamiferelor. Acestea pot reprezenta 40% din biomasa microbiană din oceanul deschis (bacteriile încă le depășesc cu aproximativ 3 până la 1) și pot constitui 20% din biomasa totală a Pământului. În ciuda reputației lor iubitoare de căldură, Archaea apar și în locuri foarte reci, cum ar fi apa de mare arctică și gheața.

spre surprinderea noastră, am găsit arhee filamentoase de dimensiuni mari, aproape suficient de mari pentru a vedea cu ochiul liber trăind pe rădăcini de mangrove. Am găsit arhee metanogene care interacționează cu protozoarele din intestinele vacilor și termitelor pentru a ajuta aceste organisme să descompună celuloza pentru energie. Am găsit chiar și un archaeon care trăiește simbiotic cu — Dintre toate lucrurile — un burete.

fără îndoială, multe alte creaturi ciudate și minunate vor apărea odată ce începem să potrivim microbii cu secvențele lor de ADN-dacă ne pasă doar să privim.

*premiile Nobel nu sunt acordate postum, deși au făcut o excepție anul trecut într-un caz remarcabil.