Questa pagina web dedicata agli Archaea e stata realizzata traducendo umilmente l'articolo comparso sul sito 

University of California Museum of Paleontology

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Buona Lettura

prof. Francesco Coccia

Introduzione alla Archaea

Il dominio Archaea non è stato riconosciuto come un dominio importante della vita fino a poco tempo fa. Fino al 20 ° secolo, la maggior parte dei biologi consideravano tutti gli esseri viventi  classificabili o come piante o come animali. Ma a partire dagli anni 1950 al 1960, la maggior parte dei biologi sono giunti alla consapevolezza che questo sistema non è preciso perché tale sistema non può ospitare i funghi, protisti e batteri. Dal 1970, un sistema di cinque regni era venuto a essere accettato come il modello con il quale tutti gli esseri viventi possono essere classificati. A un livello più fondamentale, una distinzione tra i batteri procarioti ed i quattro regni degli eucarioti (piante, animali, funghi e protisti). La distinzione riconosce i tratti comuni che condividono gli organismi eucarioti, come i nuclei, citoscheletro e membrane interne.
La comunità scientifica era comprensibilmente sconvolta alla fine del 1970 dalla scoperta di un nuovo gruppo di organismi - gli Archaea. Dr. Carl Woese ei suoi colleghi dell'Università dell'Illinois hanno studiato le relazioni tra i procarioti utilizzando sequenze di DNA, e ha scoperto che c'erano due gruppi nettamente diversi. Quei "batteri" che vivevano ad alte temperature erano ben lontani dalle caratteristiche filogenetiche dei batteri (procarioti) e dagli organismi eucarioti.A causa di questa grande differenza genetica, Woese ha proposto che la vita sia divisa in tre ambiti: Eukaryota, Eubatteri e archeobatteri. In seguito ha deciso che il termine è stato archeobatteri un termine improprio, e ridotto a Archaea. I tre ambiti sono mostrati nella figura sopra a destra, che illustra anche che ogni gruppo è molto diverso dagli altri.
Ulteriore lavoro ha rivelato ulteriori sorprese, che potete leggere nelle altre pagine web. E 'vero che la maggior parte archaeans non sembrano così diversi dai batteri sotto il microscopio, e che le condizioni estreme in cui vivono molte specie ha reso difficile la coltura e lo studio, per questo motivo per lungo tempo non si sapeva della loro esistenza Tuttavia, biochimicamente e geneticamente, sono molti diversi dai batteri. Anche se molti libri e articoli si riferiscono ancora a loro come "archeobatteri", quel termine è stato abbandonato perché non sono i batteri - sono Archaea.

Gli archaea vivono in alcuni degli ambienti più estremi del pianeta. Riescono a vivere in ambienti con temperature superiore ai 100 ° fino a 105, nelle profondità del mare dove producono metano. Altri vivono in sorgenti calde, o in acque estremamente alcaline o acide. Sono stati trovati all'interno del tratto digestivo delle mucche, termiti. Vivono nei fanghi anossici di paludi e prosperano in depositi di petrolio in profondità.

Alcuni archaea possono sopravvivere agli effetti disidratanti delle acque estremamente salina. Uno archaea che è stato studiato i modo approfondito e che vive bene in ambiente salino è il gruppo che comprende Halobacterium.
Questa primordiale forma di vita è in grado di ricavare energia dalla luce solare (ATP) attraverso un processo di fotofosforilazione non clorofilliana resa possibile dallabatteriorodopsina, una proteina abbondante nella membrana citoplasmatica. La rodopsina è una proteina di membrana con 7 domini transmembrana a α-elica, si trova principalmente nelle cellule a bastoncello della retina umana che permettono la vista in bianco e nero. Queste cellule hanno una forma allungata e nella loro parte apicale hanno numerosi dischi di membrana con molte rodopsine, legate tramite una base di Schiff ad un pigmento l'11-cis-retinale sensibile alla luce.

Archaea possono essere i soli organismi che possono vivere in habitat estremi come camini termici o acqua hypersaline. Essi possono essere estremamente abbondanti in ambienti che sono ostili a tutte le altre forme di vita. Tuttavia, archaeans non sono limitati ad ambienti estremi, la nuova ricerca mostra che archaeans sono anche molto abbondanti nel plancton del mare aperto. C'è ancora molto da imparare su questi microbi, ma è chiaro che gli Archaea è un gruppo notevolmente diversificato e di successo.

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I FOSSILI DI ARCHAEA

E' inusuale pensare che la vita potrebbe esistere a temperature vicino al punto di ebollizione, ma alcuni intrepidi archaeans prosperano in queste condizion possono vivere a temperature superiori ai 100 C°. Geyser, come quello mostrato qui a financo, sono la casa di molti microbi termofili  e possono aiutarci a comprendere come la vita esisteva quando la Terra era giovane.

ESTREMISTI DELLA VITA

La ricerca di fossili di Archaea affronta una serie di problemi. Prima di tutto, sono organismi molto piccoli e quindi lascerà fossili microscopici. Qualsiasi ricerca di fossili di cellule archaeali richiederebbe un sacco di tempo trascorso con un microscopio e un sacco di pazienza. In realtà, ci sono microbi fossili conosciute in tutto il Precambriano, ma c’è un problema - come si fa a distinguere gli archaea fossili da batteri fossili?
Cellule di Archaea e di batteri possono essere delle stesse dimensioni e forme, così la forma di un fossile microbica di solito non aiuta a determinare la sua origine. Allora si tende a trascurare le caratteristiche fisiche e micropaleotologiche dell’organismo,e a valorizzare le caratteristiche chimiche. Tracce chimiche di antichi organismi sono chiamati fossili molecolari, e comprendono una vasta gamma di sostanze chimiche. Idealmente, un fossile molecolare dovrebbe essere un composto chimico che (1) si trova in un solo gruppo di organismi, (2) non è soggetta a degrado chimico, o (3) decade in prodotti chimici secondari prevedibili e riconoscibili.
Nel caso della Archaea, vi è un metodo  molto buono per individuare il fossile Archaea, tenedo conto delle caratteristiche molecolare  della membrana cellulare. Le membrane cellulari dell’archaea non sono formati da lipidi come gli altri microorganismi , ma sono formati da catene di Isoprene Poiché queste strutture di isoprene rendono particolari e unici gli archaea, e  non sono così incline alla decomposizione ad alte temperature, diventano buoni indicatori per determinare la presenza di Archaea antichi. Fossili molecolari degli Archaea, sotto forma di residui isoprenoidi sono stati segnalati nel sito di  Messel in Germania (Michaelis & Albrecht, 1979). Questi sono depositi dell’epoca Miocene, la cui storia geologica è ben nota. Materiale dal sito è stato sciolto e analizzato utilizzando una combinazione di cromatografia espettrometria di massa. Questi processi di lavoro per la separazione dei composti, ha favorito la realizzazione di un "impronta digitale chimica". L'impronta digitale del sito Messel dimostra una composizione di isoprene identica a quella presenti in alcuni archaea.  Sulla base della storia geologica della zona Messel, si ritiene che tali organismi, termofili e alofili,  non siano mai vissuti lì, quindi è  più probabile che ad  avere lasciato queste impronte chimiche siano i metanogeni archaea (metano-produttori).
Fin dalla loro scoperta nel scisti Messel, composti isoprene indicativo di Archaea antichi sono stati trovati in numerose altre località (Hahn & Haug, 1986), compresi i sedimenti del Mesozoico, Paleozoico, e Precambriano. Le loro tracce chimiche sono stati addirittura trovati nei sedimenti del distretto Isua della Groenlandia occidentale, i sedimenti più antichi conosciuti sulla Terra in circa 3,8 miliardi di anni. Ciò significa che gli Archaea (e della vita in generale) è apparso sulla Terra entro un miliardo di anni dalla formazione del pianeta, e in un momento quando le condizioni erano ancora abbastanza inospitale per la vita, come siamo soliti pensare.
L'atmosfera della Terra giovane era ricca di ammoniaca e metano, e fu probabilmente molto caldo. Tali condizioni, tossiche per piante e animali, possono essere molto accogliente per archaea. Piuttosto che essere stravaganti organismi evoluti per sopravvivere in condizioni insolite, gli Archaea potrebbero rappresentare i resti di una fiorente comunità, che ha dominato il mondo quando era giovane.

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Morfologia

Archaea sono piccoli, di solito meno di un micron lungo (un millesimo di millimetro). Anche sotto un potente microscopio ottico, la più grande archaeans sembrano puntini. Fortunatamente, il microscopio elettronico può ingrandire anche questi microbi sufficiente per distinguere le loro caratteristiche fisiche. Potete vedere le immagini Archeano qui sotto, realizzati con una varietà di tecniche micrografiche.

Si potrebbe pensare che gli organismi così piccolo non avrebbe molta varietà di forma o di forma, ma in realtà forme archaeal sono molto diverse. Alcuni sono sferiche, una forma nota come cocchi, e questi possono essere perfettamente rotonda o lobata e bitorzoluti. Alcuni sono a forma di bastoncello, una forma nota come bacillo, e vanno dalla breve bar a forma di aste a lunghe e sottili capelli-come le forme. Alcune specie sono state scoperte stravaganti con una forma triangolare, o anche una forma quadrata come un francobollo!

Le diversità strutturali tra archaea non si limitano alla forma complessiva della cellula. Gli Archaea possono avere uno o più flagelli ad essi connessi, o i flagelli possono mancare del tutto. I flagelli sono appendici simili a capelli utilizzati per muoversi, e si attaccano direttamente nella membrana esterna della cellula. Quando sono presenti più flagelli, di solito sono collegati tutti su un lato della cellula. Altre appendici comprendono  reti di proteine per cui queste cellule  possono originare ancora grandi gruppi.
Come i batteri, gli  archaeans non hanno membrane interne e il loro DNA esiste come un singolo ciclo chiamato plasmide. Tuttavia, i loro tRNA hanno una serie di caratteristiche che li differiscono da tutti gli altri esseri viventi. Le molecole di tRNA (abbreviazione di "trasferimento RNA") sono importanti per la decodifica del messaggio del DNA e nella costruzione delle proteine. Alcuni aspetti della struttura tRNA sono gli stessi in batteri, piante, animali, funghi e tutti gli esseri viventi conosciuti - tranne gli Archaea. Ci sono alcune caratteristiche del tRNA archaeale, che sono più simili a creature eucariotiche che ai batteri, il che significa che alcune caratteristiche degli archei hanno parti in comune con gli eukarya e non con i batteri. Lo stesso vale per loro sub unità ribosomiali, che assemblano le proteine nella la cellula. Mentre ribosomi batterici sono sensibili a certi agenti chimici inibitori, i ribosomi eucariotici archaeali non sono sensibili a tali agenti. Questo potrebbe suggerire una stretta relazione tra Archaea ed eucarioti. Come per gli altri esseri viventi, le cellule archaeali hanno una membrana cellulare esterna che funge da barriera tra la cella e il suo ambiente. All'interno della membrana c’è il citoplasma, dove avvengono tutte le funzioni vitali degli Archeali e dove si trova il DNA.  Intorno alla parte esterna di quasi tutte le cellule archaeali c’è una parete cellulare, un strato semi-rigido che aiuta la cellula a  mantenere la sua forma e l’equilibrio chimico.Tutte e queste regioni strutturali possono essere distinte nelle cellule batteriche e di molti altri esseri viventi, ma quando si dà un'occhiata più da vicino ad ogni regione, si scopre che le somiglianze sono solo strutturali, non chimico. In altre parole, gli Archaea costruiscono le stesse strutture stesse presenti in altri organismi, ma li costruiscono da componenti chimici diversi. Per esempio, le pareti cellulari di tutti i batteri contenengono un composto chimico il peptidoglicano. Le pareti cellulari archaeali non contengono questo composto, anche se alcune specie contengono uno simile. Allo stesso modo, Archaea non producono pareti di cellulosa (come fanno le piante) o chitina (come i funghi). La parete cellulare di archaeans è chimicamente diverso.

La  struttura base degli archaea: Le tre regioni principali di un cellulare archaeal sono il citoplasma, la membrana cellulare e parete cellulare. Soprattutto, queste tre regioni sono etichettati, con un allargamento a destra della struttura della membrana cellulare. Membrane cellulari archaeal sono chimicamente differenti da tutti gli altri esseri viventi, tra cui una molecola "a ritroso" glicerolo e derivati isoprene al posto di acidi grassi. Vedi testo sotto per i dettagli.

Le differenze chimiche più evidente tra Archaea e altri esseri viventi si trovano nella loro membrana cellulare. Le differenze fondamentali tra la membrana archaeali e quelli di tutte le altre cellule sono quattro: (1) chiralità di glicerolo, (2) il collegamento etere, (3) cateneisoprenoidi, e (4) ramificazione delle catene laterali. Queste differenze possono sembrare complesse, ma una piccola spiegazione farà la differenza comprensibile. Tale spiegazione può essere data con la tecnica del color-coded (codice di colore) per abbinare la parte più importante del diagramma qui sotto.
(1) Chiralità del glicerolo: L'unità di base da cui sono costruite le membrane cellulari è il fosfolipide. Si tratta di una molecola di glicerolo, che ha aggiunto un fosfato ad una estremità, e due catene di acidi carbossilici laterali attaccate all'altra estremità ( i fosfolipidi sono acidi dicarbossilici).

La membrana cellulare della maggior parte dei microrganismi è costituita d un doppio strato fosfolipifico, e gli elementi che costituiscono questo doppio strato a sandwich sono l’acido orto fosforico legato ad una molecola di glicerolo a sua volata legato a due catene di acidi grassi. Questa stratificazione crea una efficace barriera chimica intorno alla cellula e contribuisce al mantenimento dell'equilibrio chimico.

Il glicerolo usato per fare fosfolipidi archaeali è uno stereoisomero del glicerolo utilizzato per costruire le membrane batteriche  eucariotiche.

Due molecole che sono stereoisomeri sono immagini speculari l'uno dell'altro. Mettete le mani davanti a voi con il palmo in su. Entrambe le mani sono orientate con le dita che puntano lontano da voi, i polsi verso di voi, e con il palmo verso l'alto. Tuttavia, i pollici puntano direzioni diverse, perché ogni mano è l'immagine speculare dell'altro.
Questa è la situazione stessa stereoisomeri di glicerolo. Ci sono due possibili forme della molecola che sono immagini speculari l'uno dell'altro. Non è possibile trasformare l'uno nell'altro semplicemente ruotando intorno. Mentre i batteri ed eucarioti hanno D-glicerolo nelle loro membrane, gli archaeans hanno L-glicerolo. Questo è più che una differenza geometrica. I componenti chimici di una cellula vengono costruiti da enzimi, e la chiralità della molecola è determinata dalla forma di questi enzimi. Una cellula che crea una forma non sarà in grado di costruire l'altra forma.