Ilustrasi archaea
Apa itu domain Archaea?
Archaea domain atau Archaea kingdom merupakan salah satu dari tiga domain kehidupan. Ini terdiri dari organisme prokariotik uniseluler mikroskopis yang sangat mirip dan pada saat yang sama sangat berbeda dari bakteri dan eukariota dalam banyak hal.
Keberadaan kelompok ini ditunjukkan beberapa waktu yang lalu, kurang lebih pada akhir 1970-an, oleh sekelompok peneliti yang dipimpin oleh Carl Woese, yang menganggap bahwa kehidupan dapat dibagi menjadi eukariota dan dua jenis organisme prokariotik: bakteri dan archaea, disebut juga archaebacteria.
Studi oleh Woese dan kolaborator didasarkan pada analisis filogenetik komparatif antara urutan RNA ribosom dari semua makhluk hidup, dan gagasan tentang tiga domain dipertahankan, meskipun sejumlah besar urutan yang terus ditambahkan ke katalog RNA ribosom ( database).
Studi-studi ini berhasil melihat sekilas kemungkinan bahwa archaea adalah kelompok saudara eukariota, meskipun kesamaan mereka dengan rekan-rekan prokariotik mereka (bakteri), itulah sebabnya mereka dapat mewakili “mata rantai yang hilang” antara prokariota dan eukariota.
Mikroorganisme ini diyakini mewakili lebih dari 20% dari semua prokariota di perairan laut, antara 1 dan 5% di tanah, dan kelompok yang paling dominan di sedimen laut dan habitat panas bumi.
Archaea ditandai dengan hidup dalam kondisi “ekstrim” seperti sumber air panas, salin, lingkungan dengan suhu sangat tinggi dan pH sangat asam, tempat yang tidak ramah di mana konsentrasi oksigen sangat rendah atau nol, dll.
Asal usul evolusi dan hubungan filogenetik
Ada tiga teori tentang kemungkinan asal usul dari tiga domain kehidupan yang dikemukakan oleh Woese dan rekan-rekannya:
- Bakteri menyimpang terlebih dahulu, membentuk garis keturunan yang menghasilkan archaea dan eukariota.
- Garis keturunan “proto-eukariotik” menyimpang dari garis keturunan yang sepenuhnya prokariotik (yaitu bakteri dan archaea).
- Archaea menyimpang dari garis keturunan yang kemudian memunculkan eukariota dan bakteri
Pada tahun 1989, dua peneliti, Gogarten dan Iwabe, secara independen mengusulkan cara untuk menganalisis semua organisme hidup secara filogenetik (yang tidak mungkin dilakukan dari studi urutan gen tunggal).
Iwabe menggunakan analisis urutan gen yang dihasilkan pada peristiwa “awal” duplikasi gen, “mengakar” pohon kehidupan dari perbandingan urutan gen paralog yang mengkode faktor pemanjangan.
Faktor pemanjangan adalah protein pengikat GTP yang berpartisipasi dalam translasi, khususnya dalam pengikatan molekul RNA transfer teramioasilasi ke ribosom dan dalam translokasi RNA transfer peptidil.
Menurut hasil perbandingan antara urutan ketiga kelompok, gen yang mengkode faktor pemanjangan pada archaea lebih mirip dengan organisme eukariotik daripada bakteri.
Pohon kehidupan
Gogarten, di sisi lain, membandingkan urutan gen lain yang dihasilkan oleh peristiwa duplikasi, khususnya yang mengkode subunit tipe-V dan tipe-F dari enzim ATPase yang ditemukan masing-masing pada archaea / eukariota dan bakteri.
Hasil yang diperoleh Gogarten, seperti yang disebutkan di atas, menunjukkan bahwa gen-gen ini di archaea (yang mungkin muncul dari peristiwa duplikasi genetik) lebih dekat hubungannya dengan eukariota daripada rekan-rekan bakteri mereka.
Argumen ini juga didukung oleh analisis yang dilakukan oleh peneliti lain bertahun-tahun kemudian, yang menggunakan urutan dari keluarga lain dari gen yang diduplikasi, yaitu RNA transfer aminoasil sintetase, memperkuat konsep “kedekatan” antara archaea dan eukariota.
Pohon Woese
Pohon Kehidupan Woese
Woese menggunakan analisis yang dilakukan oleh Gogarten dan Iwabe dan penelitian lain yang terkait dengan urutan RNA ribosom untuk mengusulkan “versi” pohon kehidupan, di mana terbukti bahwa archaea dan eukariota merupakan kelompok “saudara”, terpisah dari yang satu bakteri. meskipun urutan RNA ribosom antara archaea dan bakteri lebih mirip satu sama lain.
Karakteristik domain Archaea
Archaea dikenal untuk beberapa karakteristik yang sangat khusus (mereka sendiri) dan juga untuk menyajikan “kombinasi” karakteristik yang pernah dianggap eksklusif untuk bakteri atau organisme eukariotik.
– Seperti bakteri, archaea adalah organisme prokariotik , yaitu, di dalam materi genetik tidak tertutup oleh membran (mereka tidak memiliki nukleus) dan tidak ada organel sitoplasma bermembran.
– Umumnya mereka adalah mikroorganisme dengan ukuran yang sama dengan bakteri, DNA mereka dalam bentuk kromosom melingkar dan beberapa fragmen melingkar yang lebih kecil yang dikenal sebagai plasmid .
– Mereka berbagi keberadaan enzim topoisomerase dan girase serupa dengan bakteri , yang mewakili bukti “tidak langsung” dari “kedekatan” dalam hal struktur kromosom kedua kelompok organisme.
– Namun, gen archaea menunjukkan homologi yang bagus untuk banyak gen eukariotik , terutama yang penemuannya berasal dari penelitian dengan antibiotik.
– Mesin replikasi , transkripsi dan translasi eukariota dan archaea sangat mirip, terutama yang berkaitan dengan enzim DNA polimerase.
– Gen mereka yang mengkode protein tidak memiliki intron (tetapi yang lain memiliki), sebaliknya gen eukariotik. Selanjutnya, archaea memiliki protein seperti histon yang terkait dengan DNA mereka, hadir pada eukariota dan tidak ada pada bakteri.
– Mereka dicirikan oleh adanya isoprenil eter-lipid dalam membran sel mereka, serta tidak adanya lipid asil-ester dan sintetase asam lemak.
– Salah satu subunit enzim RNA polimerasenya terbagi dan RNA pembawa pesannya, seperti pada bakteri, tidak memiliki “tudung” (dari bahasa Inggris cap ) di ujung 5 ‘mereka.
– Mereka memiliki kisaran sensitivitas yang sangat spesifik terhadap antibiotik dan memiliki enzim restriksi tipe II yang sangat mirip dengan yang telah dijelaskan untuk bakteri.
– Karakteristik penting lainnya berkaitan dengan fakta bahwa sebagian besar archaea memiliki dinding sel , tetapi tidak seperti bakteri, ia tidak terdiri dari peptidoglikan.
Karakteristik lipid membrannya
Lipid membran archaea sangat berbeda dari yang ditemukan pada bakteri dan organisme eukariotik, dan ini telah dianggap sebagai karakteristik diferensial yang sangat penting.
Perbedaan utama antara molekul amfipatik ini (dengan ujung polar hidrofilik dan apolar hidrofobik) adalah bahwa ikatan antara bagian gliserol dan rantai asam lemak dalam lipid archaea adalah melalui ikatan eter, sedangkan pada bakteri dan eukariota sesuai. menjadi ikatan ester.
Perbedaan penting lainnya adalah bahwa archaea memiliki lipid dengan asam lemak yang ditandai dengan adanya rantai isoprenil yang sangat bercabang dengan gugus metil, sedangkan eukariota dan bakteri memiliki asam lemak rantai yang tidak bercabang.
Lipid eukariota dan bakteri “dibangun” di atas tulang punggung gliserol di mana rantai asam lemak diesterifikasi pada posisi yang sesuai dengan atom karbon 1 dan 2, tetapi eter gliserol mengandung asam di archaea.lemak di posisi 2 dan 3.
Perbedaan lain sehubungan dengan lipid membran berkaitan dengan jalur biosintesisnya, karena beberapa enzim juga berbeda di archaea.
Sebagai contoh, beberapa spesies archaea memiliki enzim prenyl transferase bifungsional, yang bertanggung jawab untuk menyediakan prekursor baik untuk sintesis squalene dan untuk sintesis isoprenoid gliseril-lipid. Pada bakteri dan eukariota, fungsi-fungsi ini dilakukan oleh enzim yang terpisah.
Klasifikasi archaea
Menurut data urutan subunit kecil RNA ribosom dari archaea, kelompok ini telah dibagi terutama menjadi dua “filum”, yang dikenal sebagai filum Crenarchaeota dan filum Euryarchaeota , yang anggotanya terutama, archaea tumbuh secara in vitro .
Namun, banyak dari archaea yang baru-baru ini dijelaskan belum dikultur secara in vitro dan hanya berhubungan jauh dengan sekuens yang telah diisolasi dari spesies yang dipelihara di laboratorium.
Filum Crenarchaeota
Bakteri termofilik, filum Crenarchaeota
Kelompok ini dibentuk terutama oleh spesies archaea hyperthermophilic dan thermoacidophilic, yaitu genus archaea yang menghuni lingkungan yang tidak ramah dengan kondisi termal dan pH yang ekstrim.
Ini terdiri dari kelas taksonomi tunggal, yang dikenal sebagai Thermoprotei, di mana ada lima perintah taksonomi berikut: Acidilobales , Desulfurococcales , Fervidicoccales , Sulfolobales dan Thermoproteales .
Contoh dari beberapa genus yang termasuk dalam kelas tersebut dapat berupa genus Sulfolobus , Desulforococcus , Pyrodictium , Thermoproteus dan Thermofilum .
Filum Euryarchaeota
Methanosarcina barkeri fusaro, filum Euryarchaeota
Anggota kelompok ini memiliki rentang ekologi yang sedikit lebih luas, dapat ditemukan di dalamnya beberapa spesies metanogenik hipertermofilik, metanogenik, halofilik dan bahkan termofilik, archaea denitrifikasi, reduksi belerang, pengoksidasi besi dan beberapa organotrof.
Kelas taksonomi yang dijelaskan untuk Euriarcheotes ada delapan dan dikenal sebagai Methanopyri , Methanococci , Methanobacteria , Methanomicrobia , Archaeglobi , Halobacteria , Thermococci dan Thermoplasmata .
Banyak dari archaea milik kelompok ini tersebar luas, ditemukan di tanah, sedimen dan perairan laut, serta di lingkungan ekstrim yang dijelaskan.
Filum Thaumarchaeota
Axinella polypoides, filum Thaumarchaeota. Sumber: Liné1, CC BY-SA 3.0 <http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/>, melalui Wikimedia Commons
Filum ini didefinisikan relatif baru dan sangat sedikit spesies yang termasuk di dalamnya telah dibudidayakan secara in vitro , sehingga sedikit yang diketahui tentang organisme ini.
Semua anggota filum memperoleh energi mereka dari oksidasi amonia dan didistribusikan secara global di badan air tawar, tanah, sedimen dan air panas.
Filum Korarchaeota , Aigarchaeota dan Goarchaeota
Korarchaeota
Beberapa peneliti ahli di lapangan , berdasarkan analisis sekuens genomik baru-baru ini menentukan keberadaan tiga tepi tambahan di kingdom Archaea, meskipun spesies yang diusulkan untuk tepi ini belum diisolasi di laboratorium.
Secara umum, anggota filum ini telah ditemukan di bawah permukaan banyak ekosistem darat dan laut, tetapi juga di mata air panas dan sistem hidrotermal laut dalam.
Nutrisi
Sebagian besar spesies archaea dengan organisme kemotrofik, yaitu, mereka mampu menggunakan senyawa anorganik yang sangat berkurang untuk mendapatkan energi yang mereka butuhkan untuk “menggerakkan” mesin metabolisme mereka, terutama yang berkaitan dengan respirasi.
“Kekhususan” untuk molekul anorganik yang mereka gunakan sebagai substrat untuk menghasilkan energi tergantung pada lingkungan di mana setiap spesies tertentu berkembang.
Archaea lain, serta tanaman , ganggang, lumut dan cyanobacteria, mampu fotosintesis , yaitu, mereka menggunakan dan mengubah energi cahaya sinar matahari menjadi energi kimia yang dapat digunakan.
Telah terbukti bahwa beberapa archaea menghuni perut (rumen) beberapa hewan ruminansia (di antaranya adalah sapi, domba, kambing, dll.), Itulah sebabnya ini diklasifikasikan sebagai “archaea mutualistik”, karena mereka mengkonsumsi sebagian dari seratnya. bahwa hewan-hewan ini menelan dan bekerja sama dengan pencernaan beberapa komponennya.
Reproduksi
Seperti bakteri, archaea adalah organisme bersel tunggal yang reproduksi secara eksklusif aseksual. Mekanisme utama yang dijelaskan dari spesies yang dipelihara secara in vitro adalah:
– Pembelahan biner, di mana setiap lengkungan “terbelah” menjadi dua untuk menghasilkan dua sel yang identik
– Tunas atau “fragmentasi”, di mana sel melepaskan “fragmen” atau “bagian” dari dirinya sendiri yang mampu membentuk sel baru yang identik secara genetik.
Habitat
Archaea terutama terkait dengan lingkungan “ekstrim”, yaitu, tempat-tempat alami yang memberlakukan pembatasan serius bagi perkembangan normal makhluk hidup, terutama dalam hal suhu, pH, salinitas, anaerobiosis (tidak adanya oksigen), dll. ; itulah sebabnya studi mereka sangat menarik, karena mereka memiliki adaptasi yang unik.
Namun, teknik terbaru dari analisis molekuler untuk identifikasi spesies mikroorganisme non-kultur (terisolasi dan disimpan secara in vitro di laboratorium) telah memungkinkan untuk mendeteksi keberadaan archaea di lingkungan sehari-hari seperti tanah, rumen beberapa tanaman. hewan, perairan laut dan danau, antara lain.
Namun, sebagian besar archaea yang telah diidentifikasi di alam diklasifikasikan menurut habitat yang mereka tempati, istilah “hipertermofil”, “asidofil” dan “termoasidofil ekstrem”, “halofil ekstrem” familiar dalam literatur, dan “metanogen” .
Lingkungan yang ditempati oleh archaea hipertermofilik adalah lingkungan yang dicirikan oleh suhu konstan yang sangat tinggi (jauh di atas suhu “normal” yang dialami sebagian besar makhluk hidup).
Lingkungan di mana asidofil ekstrim mendiami, sebaliknya, adalah lingkungan di mana pH sangat rendah dan ini juga dapat dibedakan dengan suhu tinggi (termoasidofil ekstrem), sedangkan lingkungan halofil ekstrim adalah di mana konsentrasi garam sangat tinggi. .
Archaea metanogenik hidup tanpa oksigen atau anaerobiosis, di lingkungan di mana mereka dapat menggunakan molekul lain sebagai akseptor elektron dalam metabolisme mereka dan mampu menghasilkan metana sebagai produk “limbah” metabolisme.
Contoh spesies archaea
Ada banyak spesies archaea yang diketahui, tetapi hanya beberapa dari mereka yang akan disebutkan di sini.
Ignicoccus hospitalis dan Nanoarchaeum equitans
Ignicoccus hospitalis
I. hospitalis termasuk dalam genus crenarqueotes yang dikenal sebagai Ignicoccus dan merupakan organisme chemolytoautotrophic yang menggunakan molekul hidrogen sebagai donor elektron untuk reduksi sulfur. Spesies ini memiliki genom terkecil dari semua archaea yang dijelaskan secara in vitro sejauh ini.
I. hospitalis berperilaku seperti “parasit” atau “simbion” spesies lain: Nanoarchaeum equitans. Yang terakhir belum dikultur secara in vitro dan genomnya adalah yang terkecil dari semua archaea yang tidak dikultur yang telah dijelaskan.
Ia hidup terutama di lingkungan laut dan tidak memiliki gen untuk lipid, asam amino, nukleotida atau biosintesis kofaktor, jadi bukti eksperimental menunjukkan bahwa ia memperoleh molekul ini berkat interaksinya dengan I. hospitalis .
Acidilobus saccharovorans
Ini adalah spesies archaea anaerobik termoasidofilik, yaitu, ia hidup di lingkungan yang buruk atau sama sekali tanpa oksigen, dengan suhu tinggi dan pH yang sangat rendah. Ini pertama kali ditemukan di badan air panas terestrial di Kamchatka.
Staphylothermus hellenicus
Archa ini milik tepi Crenarqueotas, khusus untuk ordo Desulfurococcales. Ini adalah archaea heterotrofik hipertermofilik (hidup di lingkungan yang sangat panas) dan membutuhkan belerang untuk energi.
