Tema 5 - Arqueas PDF

Microbiología. Grado BCB Tema 4 Tema 5.- Arqueas. Características fisiológicas. o Membrana plasmática o Pared celular o Citoplasma o Estructuras usadas para la movilidad y la adhesión....

Microbiología. Grado BCB Tema 4 Tema 5.- Arqueas. Características fisiológicas. o Membrana plasmática o Pared celular o Citoplasma o Estructuras usadas para la movilidad y la adhesión. Principales grupos. Aplicaciones. Los microorganismos procariotas están comprendidos en dos dominios filogenéticos: Bacteria y Archaea, que se diferencian en su hábitat, composición química y fisiología, mientras que el tercer dominio, Eukarya, engloba a todos los organismos eucariotas. A nivel celular las arqueas son auténticos procariotas, pero a nivel molecular las similitudes con las bacterias no son superiores a las similitudes con eucariotas. Las arqueas carecen de peptidoglicano en su pared y su membrana está constituida por derivados isoprenoides ramificados unidos al glicerol por enlaces éter, a diferencia del resto de los grupos bacterianos, que tienen ácidos grasos con enlaces éster. Éstas y otras diferencias les separan del resto de los procariotas y les asemejan a los eucariotas. Por otra parte, las arqueas muestran una enorme diversidad fenotípica, además muchas habitan en ambientes extremos. Las arqueas incluyen organismos anaerobios estrictos que desprenden metano (metanógenos), que viven en ambientes con elevada salinidad (halófilos), pueden crecer en ambientes muy ácidos (acidófilos) y temperaturas muy elevadas (hipertermófilos). La mayor parte de los procariotas que conocemos en la actualidad se incluyen en el grupo de las bacterias. Aunque durante mucho tiempo han estado incluidos dentro del término procariotas, en la actualidad las arqueas y las bacterias están consideradas como taxones diferentes. Esta separación está relacionada con la observación de que ambas tienen características únicas y distinguibles. Hay que tener en cuenta que solamente una pequeña cantidad de las arqueas pueden ser crecidas en el laboratorio. Muchas de ellas habitan nichos ecológicos que constituyen ambientes extremos desde un punto de vista humano, con requerimientos de alta temperatura, bajo pH o alta cantidad de sal. Estos representan retos para cultivarlas en el laboratorio. Históricamente estos ambientes han sido considerados como incompatibles con la vida. Una vez que los microbiólogos han extendido su exploración a diferentes hábitats terrestres se han encontrado que las arqueas, aunque en bajo número, están presentes en muchos de ellos. Una de las características que más llama la atención es que muchas de las especies pertenecientes al dominio Archaea son extremófilas. “Ambiente extremo” es un término relativo, ya que para algunos microorganismos ese hábitat puede ser esencial para su desarrollo. Los organismos extremófilos son aquellos que crecen en estos ambientes, bajo condiciones que son inhabitables para la mayoría de las especies (como condiciones de elevada temperatura o salinidad). Por tanto, resulta interesante que estos organismos puedan desarrollarse donde otras formas de vida no tendrían ninguna oportunidad de sobrevivir. No obstante, no todas las arqueas son microorganismos extremófilos y de hecho muchas de ellas crecen y se han aislado de ambientes no extremos. Muchas arqueas se han descrito únicamente en base a la secuencia del ARN ribosomal 16S o mediante la secuencia parcial de su genoma. La taxonomía de las arqueas está todavía en discusión debido a la baja cantidad de datos genómicos que se han empleado para identificar las nuevas especies. Hay una Profesor: José Juan Mateo Tolosa 1 Microbiología. Grado BCB Tema 4 gran controversia respecto a las denominaciones taxonómicas usadas para estos nuevos organismos, pero se han establecido 3 filums diferentes. Tamaño agrupación y forma. Cada uno de los tres dominios (Bacteria, Eucarya y Archaea) tienen características propias y otras en común. Las arqueas tienen una morfología celular similar a la de las bacterias, pero se han descrito morfologías cuadradas planas o células de tipo ameboide que son exclusivas de las arqueas. Aunque no tienen núcleo y tienen una organización celular de tipo procariota como las bacterias, las propiedades moleculares son más parecidas a las de las células eucarióticas Las células arqueanas, al igual que pasaba con las células bacterianas, tienen gran variedad de formas. Las más comunes son los cocos y los bacilos. Generalmente se encuentran de forma aislada pero algunos cocos forman agrupaciones y algunos bacilos pueden formar cadenas. También se han observado bacilos curvados, las formas espirales y formas pleomórficas dentro de este taxón. Sin embargo, algunas arqueas muestran formas únicas tal como las forma en branquias de Thermoproteus tenax o la forma engrosada de Haloquadratum walsbyi una arquera que vive en la sal y que mide a aproximadamente de 2-4 micras y 0.25 micras de grosor. Esta forma tiene la ventaja de crear la ratio área volumen que a su vez incrementa la eficiencia hacia la captación de nutrientes. Las células arqueanas varían en tamaño mucho más que en la forma. Los bacilos típicos miden entre 1 y 2 micras de ancho y 15 micras de longitud; los cocos típicamente tienen entre una y 3 micras de diámetro. Sin embargo, se han identificado células extremadamente pequeñas o grandes. Características fisiológicas. La membrana plasmática de las arqueas está formada por lípidos diferentes aquellos que se encuentran en las membranas de las bacterias. De hecho estos lípidos inusuales han sido una de las principales evidencias que han apoyado la idea de que estos microorganismos son filogenéticamente distintos de las bacterias. Muchas arqueas tienen pared celular pero la composición de ella es muy distinta a la de la pared bacteriana. Fundamentalmente la pared de las arqueas carece de peptidoglicano. Las cápsulas no suelen estar presentes en las arqueas. Dentro del citoplasma arqueano, el nucleoide ribosomas y las inclusiones se pueden encontrar igual que en bacterias. Por último, muchas arqueas utilizan flagelos para moverse y unirse a las superficies, pero estas estructuras difieren muchísimo del flagelo bacteriano de forma que se llaman arquelos. Membrana plasmática de arqueas. Los lípidos presentes en Archaea son únicos desde el punto de vista químico. A diferencia de lo que sucede en Bacteria o Eukarya, donde los enlaces éster son los responsables de la unión entre el glicerol y los ácidos grasos, los lípidos en Archaea poseen enlaces éter entre el glicerol y las cadenas laterales hidrofóbicas. Además, carecen de ácidos grasos y en su lugar tienen cadenas laterales compuestas de unidades repetitivas de isopreno, una molécula hidrocarbonada de 5 átomos de carbono. Sin embargo, la estructura general de las membranas lipídicas de Archaea se mantiene con superficies interna y externa hidrofílicas y con un interior hidrofóbico. Los diéteres y tetraéteres de glicerol son los principales tipos de lípidos presentes en las Archaea. Las cadenas laterales de fitano (compuesto por cuatro unidades ligadas de isopreno) en las moléculas de un tetraéter se unen covalentemente entre sí. Esto hace que se produzca una monocapa en vez de una bicapa lipídica. Las monocapas lipídicas son bastante más estables y resistentes a la disgregación y, por tanto, no resulta extraño que este tipo de membrana sea la habitual entre las Archaea hipertermófilas, un tipo de procariotas que se desarrolla en ambientes con temperaturas muy altas. Existen otras características que distinguen los dominios Bacteria y Archaea, pero la composición Profesor: José Juan Mateo Tolosa 2 Microbiología. Grado BCB Tema 4 lipídica de las membranas es una de las características más distintivas de cada uno de estos grupos filogenéticos. Las membranas de las arqueas están formadas principalmente por lípidos que difieren de aquellos que se encuentran en bacterias y eucariotas de 2 formas. En primer lugar, contienen hidrocarbonos derivados de unidades de isopreno. Esto afecta a la forma en que se empaquetan los lípidos lo que a su vez afecta a la fluidez y permeabilidad de la membrana. Esto es especialmente importante en las arqueas extremofilas en las cuales la fluidez y permeabilidad de la membrana puede ser un factor clave en la supervivencia de en estas condiciones extremas. En segundo lugar, los hidrocarbonos están unidos a glicerol por enlaces éter en vez de enlaces éster. Los enlaces éter son más resistentes a ataques químicos que los correspondientes enlaces éster. Se han identificado dos tipos fundamentales de lípidos arqueanos: los di-éteres de glicerol o los tetra éteres de glicerol. Los di-éteres de glicerol están formados por dos hidrocarbonos unidos a glicerol. Generalmente la cadena hidrocarbonada está formada por 20 carbonos. Los tetra éteres de glicerol se forman cuando dos residuos de glicerol se unen mediante dos grandes cadenas de más de 40 carbonos de longitud. Los tetra éteres son más rígidos que los di-éteres. Las células pueden ajustar la longitud total de los tetra éteres ciclando las cadenas para formar anillos penta-cíclicos. El glicerol puede llevar unidos azucares, fósforo, azufre o grupos amino tanto en los di-éteres como en los tetra éteres de la misma forma que pasa en los fosfolípidos de bacterias y eucariotas. Aparte de las diferencias en cuanto a la composición de lípidos en el diseño básico de las membranas de las arqueas es similar a la de las bacterias y eucariotas. Hay dos superficies hidrofílicas y un corazón hidrofóbico. Cuando se emplean los di-éteres C20 se obtiene una membrana capa lipídica normal. En cambio, cuando se utilizan los tetra éteres se obtiene una monocapa con una rigidez superior. La adición de anillos penta-cíclicos todavía incrementa más la rigidez. Cómo puede esperarse las membranas de microorganismos que deben sobrevivir a temperaturas superiores a 85º están formadas completamente por tetra-éteres. Las arqueas que viven en medios moderadamente cálidos contienen algunas regiones con monocapas y algunas regiones con bicapas. Se cree que las membranas de las arqueas incluyen microdominios. Proteínas parecidas a la flotillina se han identificado en Pyrococcus, donde se agrupan en complejos similares a los observados en bacterias y eucariotas. Al igual que sucede con las bacterias, las arqueas también necesitan obtener nutrientes a partir del medio ambiente. Esto es más importante en aquellos nichos cuya riqueza en nutrientes es muy baja, que son las características de los nichos habituales de las arqueas. Así, aunque se ha observado difusión pasiva y difusión facilitada, las arqueas usan fundamentalmente transporte activo para captar nutrientes. Estos sistemas son muy similares a aquellos observados en la bacteria. Pared celular. Antes de ser considerado un dominio diferente, las especies de arqueas fueron caracterizadas en función del color que adquirían en base a la técnica de Gram. Sin embargo, esta reacción no se corresponde con una estructura concreta de la pared celular de la forma en que ocurre en bacterias. Las células de las arqueas muestran una variedad considerable en función de su estructura química en la pared. Además, todas ellas carecen de peptidoglicano. Como vemos, existen diferentes estructuras de pared en las especies de Archaea, desde las que se parecen mucho al peptidoglicano hasta las que carecen totalmente de polisacáridos. Pero, con raras excepciones, todas las Archaea poseen una pared celular de alguna clase y, como ocurre con las bacterias, la pared celular arqueana impide la lisis osmótica y le da a la célula su forma. Al carecer de peptidoglicano, las Archaea son resistentes de manera natural a las lisozimas y a la penicilina, agentes que destruyen el peptidoglicano o interrumpen su biosíntesis. Profesor: José Juan Mateo Tolosa 3 Microbiología. Grado BCB Tema 4 El tipo más habitual de pared celular en Archaea es la capa superficial paracristalina o capa S, formada por moléculas entrelazadas de proteínas o glicoproteínas. La estructura paracristalina de las capas S puede crear simetrías hexagonales, tetragonales o triméricas, en función del número y la clase de subunidades que la componen. Se han encontrado capas S en organismos de todos los linajes principales de Archaea, así como en algunas especies de Bacteria. Suele tener una anchura de 70 nanómetros. Las arqueas metanógenas, halófilas y termófilas extremas tienen este tipo de pared. La pared celular de algunas Archaea, como el metanógeno Methanocaldococcus jannaschii, está formada solo por capa S. Por tanto, las capas S son lo suficientemente fuertes para resistir presiones osmóticas por sí solas. Además de servir como protección frente a la lisis osmótica, las capas S pueden cumplir otras funciones. Por ejemplo, como interfase entre la célula y su entorno es probable que la capa S actúe de filtro selectivo, permitiendo el paso de solutos de bajo peso molecular y excluyendo las moléculas o estructuras más grandes (como los virus). La capa S también puede actuar reteniendo proteínas cerca de la superficie celular, en gran medida como lo hace la membrana externa en las bacterias gramnegativas. Otras arqueas tienen capas adicionales de material hacia el exterior de la capa es en algunos casos hay una cubierta proteica hacia el exterior. En otros casos hay una capa de polisacáridos hacia cubriendo la capa S. Este material llamado metano condroitína, es similar al sulfato de condroitína del tejido conectivo animal. La pared celular de ciertas Archaea metanógenas contiene una molécula con un parecido notable al peptidoglicano, un polisacárido llamado pseudomureína. El esqueleto de la pseudomureína está formado por unidades repetitivas alternantes de N-acetilglucosamina y ácido N- acetiltalosaminurónico; este último sustituye al ácido N-acetilmurámico del peptidoglicano. La pseudomureína también se diferencia del peptidoglicano en que los enlaces glicosídicos entre los azúcares son β-1,3 en lugar de β-1,4, y los aminoácidos son todos estereoisómeros L. Se piensa que el peptidoglicano y la pseudomureína surgieron por evolución convergente después de que divergieran Bacteria y Archaea o por evolución a partir de un polisacárido presente en la pared celular del ancestro común. Las paredes celulares de otras Archaea carecen de pseudomureína y en su lugar tienen otros polisacáridos. Por ejemplo, las especies de Methanosarcina tienen una pared polisacarídica gruesa compuesta por polímeros de glucosa, ácido glucurónico, el ácido urónico de la galactosamina y acetato. Las Archaea halófilas extremas como Halococcus, que están emparentadas con Methanosarcina, tienen la pared celular similar, también muy sulfatada. Las cargas negativas del ion sulfato (SO4-) se unen al Na+ presente en los hábitats de Halococcus -estanques de evaporación de sal y mares y lagos salados- en grandes cantidades. El complejo sulfato-sodio ayuda a estabilizar la pared celular de Halococcus en estos ambientes tan iónicos. Otro tipo de pared en arqueas consiste en una capa fina única parecida a la de las bacterias gram positivas. Estas arqueas carecen de capa S y, a menudo, se tiñen con violeta en la tinción de Gram. La composición de la pared varía entre las especies, pero generalmente está formada por complejos de polisacáridos y pseudo-mureina. Otras arqueas carecen de una capa parecida a la pared celular. Así algunas arqueas poseen solamente una membrana plasmática cubierta por una capa de limo denominado también glicocálix, que puede proporcionarle la protección necesaria para sobrevivir en estos hábitats ácidos. Un caso único dentro de las arqueas es el que aparece en Ignicoccus hospitalis su cubierta consiste únicamente en una membrana plasmática y una membrana externa con un espacio inter membranoso entre ellas. La capa externa contiene complejos de proteínas que forman poros recordando a las porinas de la pared externa de las bacterias Gram negativas. Profesor: José Juan Mateo Tolosa 4 Microbiología. Grado BCB Tema 4 Citoplasma. Ribosomas. Como en las células bacterianas los ribosomas de las células arteriales tienen un tamaño 70S y están formados por una subunidad 50S y una subunidad 30S. Sin embargo, su forma es algo diferente y la composición no es la misma. Ambos tienen moléculas de ARN ribosomal de tamaño similar. Sin embargo, las diferencias en cuanto a la secuencia de nucleótidos fue la base inicial para separar el taxón arquea. La composición de proteínas en los ribosomas también es diferente. Los ribosomas de las arqueas tienen más proteínas: 68 en vez de 55 y pueden distinguirse 3 grupos en función de la similitud a las proteínas encontradas en bacterias o en eucariotas. El primer grupo incluye proteínas encontradas en los 3 dominios de la vida, el segundo grupo incluye proteínas encontradas únicamente en arqueas y el tercer grupo incluye proteínas detectadas tanto en arqueas como en eucariotas. Hay muy pocas proteínas únicas de arqueas la mayoría están incluidas dentro de los otros dos grupos. La diferencia fundamental entre los ribosomas de bacterias y de arqueas se basa en el hecho de que los ribosomas arqueanos no son afectados por los antibióticos que alteran los ribosomas de las bacterias. Nucleoide. El nucleoide constituye otro ejemplo de las diferencias que existen entre bacterias y arqueas punto esta región del citoplasma contiene el cromosoma celular y numerosas proteínas. El cromosoma de todas las arqueas conocidas es circular y está formado por una doble cadena de ADN. Algunas arqueas son poliploides mientras que otras solamente tienen una copia del cromosoma. Se cree que esta diferencia refleja las diferencias a la hora de dividir los cromosomas entre las células hijas durante la división celular. La solución encontrada para compactar el material genético dentro de la célula es similar a la que se ha estudiado en bacterias. Algunas arqueas tienen histonas asociadas a los cromosomas. Estas histonas forman nucleosomas Estructuras usadas para la adhesión y movilidad. Arquelos. El flagelo de las arqueas o arquelo es superficialmente similar al bacteriano, pero no es homólogo. Ambos flagelos consisten en filamentos que se extienden fuera de la célula y rotan para impulsar al microorganismo. En la década de 1980 se pensaba que eran homólogos; sin embargo, nuevos descubrimientos en la década de 1990 pusieron de manifiesto numerosas diferencias de detalle entre los flagelos bacterianos y arqueanos. Los flagelos bacterianos son impulsados por un flujo de iones H+ (u ocasionalmente Na+), mientras que los flagelos arqueanos son con casi total seguridad impulsados por ATP. El motor que produce la rotación del flagelo todavía no ha sido identificado. Mientras que las células bacterianas suelen tener muchos filamentos flagelares, cada uno de los cuales gira independiente, el flagelo arqueano se compone de un conjunto de filamentos que giran como uno sólo. Los flagelos bacterianos crecen por la incorporación de subunidades de flagelina en la punta, mientras que flagelos de las arqueas crecen por la incorporación de subunidades a la base. Los flagelos bacterianos son más gruesos que los arqueanos. Además, en las bacterias, los filamentos son tubos con un hueco lo suficientemente grande para que las subunidades de flagelina puedan fluir por el interior del filamento y depositarse en la punta; los flagelos de las arqueas son demasiado delgados para permitir esto. Muchos de los componentes de los flagelos bacterianos comparten secuencias similares a los del sistema de secreción de tipo III, pero los componentes de los flagelos de bacterias y arqueas Profesor: José Juan Mateo Tolosa 5 Microbiología. Grado BCB Tema 4 no comparten similitud de secuencia. En lugar de ello, algunos componentes de los flagelos arqueanos comparten secuencia y similitud morfológica con componentes de los pili de tipo IV, que son ensamblados a través de la acción de los sistemas de secreción de tipo II (la nomenclatura de los pili y de los sistemas de secreción de proteínas no son coherentes). Estas diferencias implican que los flagelos bacterianos y arqueanos son un caso clásico de evolución convergente, es decir son orgánulos análogos y no homólogos. Sin embargo, en comparación con las décadas de estudio del flagelo bacteriano, los flagelos arqueanos sólo recientemente han comenzado a recibir atención científica seria. Aunque el arquero funciona de forma similar al flagelo bacteriano, existen diferencias significativas punto en primer lugar la rotación se produce por hidrólisis de ATP en vez de una fuerza protón motriz. En segundo lugar, cuando cambia la dirección de la rotación se origina un cambio en el movimiento de la célula, bien hacia adelante bien hacia atrás. Es más coma y no se observan alternancias entre carreras y vuelcos. Pili. Muchas arqueas presentan pili en un amplio rango de longitud y diámetro, algunos son sólidos y otros están huecos. Los pili están compuestos por muchas copias de una única proteína denominada pilina, pero la composición de esta proteína es diferente en distintas arqueas lo cual explica la diversidad de las estructuras observadas. Los pilis de arqueas son pilis tipo IV. Se sintetizan en ribosomas en el citoplasma y después se unen a complejos proteicos de la membrana plasmática. Las proteínas pilina son segregada a través del complejo para formar la estructura del pili maduro. Tipos de pili que son particulares las cánulas y los hami. Las cánulas son estructuras huecas parecidas a tubos que se observan en la superficie de arqueas termófilas. No se conoce su función, pero se sabe que las células hijas que se originan a partir de una célula permanecen conectadas unas con otras a través de las que cánulas. Por tanto, después de muchas divisiones se forma una red de células. Los hami son de interés debido a su forma. Parecen ganchos y lo que sugiere que su función sea la de unirse a las superficies. De hecho, las células que producen hami son miembros de comunidades que forman biofilm. Clasificación de las arqueas El dominio Archaea taxonómicamente está formado por cinco filos que contienen especies descritas a partir de cepas cultivadas. La mayoría de ellas pertenecen a los filos Crenarchaeota y Euryarchaeota. Sin embargo, en los últimos años se han propuesto otros filos sugeridos por el descubrimiento de cepas no cultivadas que tienen características diferentes al resto, como es el caso del filo Aigarchaeota, entre otros. La clasificación taxonómica de las arqueas se ha realizado basándose en sus características fenotípicas, en la comparación de las secuencias del gen que codifica el ARN 16S y algún otro gen housekeeping (como el rpoB), en las características genotípicas (hibridación ADN-ADN) y en características quimiotaxonómicas. Se dividen actualmente en los siguientes filos: Crenarchaeota: Está compuesto por una única clase denominada Thermoprotei, que a su vez es subdividida en cinco órdenes. La mayoría de los representantes de este grupo son hipertermófilos y crecen de modo óptimo por encima del punto de ebullición del agua. Euryarchaeota: Este filo lo forman especies diversas en su morfología y sus hábitats. La mayoría pertenecen a la clase Halobacteria, por lo que es el grupo más importante. Además, Profesor: José Juan Mateo Tolosa 6 Microbiología. Grado BCB Tema 4 otros representantes relevantes son los hipertermófilos Thermococcus y Pyrococcus, el metanógeno Methanopyrus y un organismo que carece de pared celular: Thermoplasma. Korarchaeota: Korarchaeum cryptofilum es la única especie caracterizada de este grupo. Es un organismo anaerobio estricto e hipertermófilo. Nanoarchaeota: En 2003 Karl Stetter y colaboradores descubrieron el microorganismo más pequeño del mundo denominado Nanoarchaeum equitans, lo que ha llevado a la creación de este grupo dentro de las arqueas. Esta especie es extremófila ya que se halló a 120 metros de profundidad en aguas hidrotermales submarinas, donde la temperatura era de unos 100ºC. El filo Nanoarchaeota únicamente contiene esta especie, perteneciente al género Nanoarchaeum. Thaumarchaeota: contiene el género Cenarchaeum. Las primeras especies de este filo se encontraron en el fondo oceánico, pero más recientemente se ha observado en suelos y sistemas marinos de todo el mundo. Se han descrito varias especies de este filo, como Nitrosopumilus maritimus, y todos son quimiolitótrofos y oxidadores de amoniaco. Aunque ésta es la clasificación formal según la taxonomía de las especies, se pueden distinguir cuatro grupos bien diferenciados dentro de las arqueas: haloarqueas, arqueas metanógenas, arqueas hipertermófilas y arqueas acidófilas extremas, cuyas principales características se discuten a continuación. Haloarqueas Dentro del dominio Archaea se encuentran las arqueas halófilas extremas aerobias, comúnmente denominadas haloarqueas. Se incluyen en el filo Euryarchaeota y en la clase Halobacteria, dividida en tres órdenes: Halobacteriales, Haloferacales y Natrialbales. Una de las especies más estudiadas es Halobacterium salinarum y es utilizada como modelo en numerosos estudios de arqueas. Se trata de organismos que viven en ambientes hipersalinos, es decir, hábitats extremos que presentan una concentración de sales muy elevada, al menos de 1,5 M NaCl. Las haloarqueas tienen un crecimiento óptimo a una concentración de 20-25 % p/v de NaCl. Además, acumulan KCl como un mecanismo de adaptación para contrarrestar la elevada salinidad del medio externo. Hay una gran variedad de hábitats hipersalinos distribuidos ampliamente por el mundo que pueden ser acuáticos (lagos salinos, estanques de cristalización de las salinas, profundidades marinas), suelos salinos e hipersalinos, algunas plantas halófitas o incluso productos tratados con sal, tales como las salazones. En estos hábitats hipersalinos son los microorganismos más abundantes y además son, junto a otros organismos, los responsables de que estos ambientes puedan tener un color rojizo debido a los pigmentos carotenoides localizados en las membranas de estas especies, denominados bacteriorruberinas. Sin embargo, no todas las haloarqueas son pigmentadas. Existen algunas excepciones, como las especies del género Natrialba, que dan lugar a colonias blanquecinas. En cuanto a las características principales de las haloarqueas se puede decir que son Gram-negativas, aerobias estrictas, crecen a una temperatura alrededor de 37ºC, se reproducen por fisión binaria y no forman esporas u otras formas de resistencia. Además, sus células presentan diversidad morfológica (bacilos, discos, triángulos, cuadrados…) y son microorganismos capaces de utilizar diversos compuestos orgánicos como fuente de carbono y energía. Con respecto al ADN de las haloarqueas, se caracteriza porque tiene un contenido de guanina y citosina (G + C) muy elevado que ayuda a estabilizar la célula frente a las altas concentraciones de cationes en el citoplasma. Una capacidad especial que tienen los organismos de la clase Halobacteria es la producción de halocinas, que son unos compuestos antimicrobianos capaces de inhibir el crecimiento de otras Profesor: José Juan Mateo Tolosa 7 Microbiología. Grado BCB Tema 4 haloarqueas actuando, normalmente, sobre la membrana celular de cepas sensibles. Este fenómeno puede llegar a ser una gran ventaja para las haloarqueas ya que inhiben el desarrollo de especies que compiten por el mismo hábitat natural. Por otra parte, para poder adaptarse a las elevadas concentraciones salinas y resistir las consecuencias adversas de la pérdida de agua en sus células, estas especies desarrollan estrategias de osmoadaptación. El mecanismo que llevan a cabo la mayoría de las haloarqueas se denomina “salt-in” y conlleva una acumulación de iones Na+ y K+ en el citoplasma a concentraciones similares a las que existen en el exterior celular. Otro mecanismo diferente es “salt-out” que consiste en la acumulación de moléculas orgánicas pequeñas y muy solubles, como aminoácidos, azucares o polioles, conocidas como solutos compatibles. Al acumularse dentro de las células evitan los efectos perjudiciales. Pero esta segunda estrategia es la que realizan sobre todo las bacterias y otros microorganismos eucariotas halófilos. En cuanto a la obtención de energía, ciertas especies de haloarqueas pueden llevar a cabo la síntesis de ATP mediada por la luz, proceso que no se considera fotosíntesis por la ausencia de pigmentos clorofílicos. Los pigmentos que intervienen son carotenoides rojos y naranjas, que son sensibles a la luz y otros pigmentos inducibles conservadores de la energía. En condiciones de baja aireación, Halobacterium salinarum y otras haloarqueas sintetizan una proteína que insertan en su membrana plasmática, denominada bacteriorrodopsina. Esta proteína está constituida por una molécula de retinal que le confiere un tono rojo violáceo al bombear un protón a través de la membrana plasmática tras la absorción de energía luminosa. Por ello las células de Halobacterium pasan de un color rojo anaranjado a rojo violáceo cuando pasan de crecer en un hábitat aireado a uno donde el oxígeno es escaso. La producción de ATP mediada por la bacteriorrodopsina en Halobacterium salinarum permite un crecimiento lento de este microorganismo en condiciones anóxicas. Además, existen otras rodopsinas en la membrana citoplasmática de esta especie, como son la halorrodopsina o las rodopsinas sensoriales Fototrofia basada en rodopsina La fotosíntesis oxigénica y anoxigénica son tipos de fototrofía basados en las clorofilas o las bacterioclorofilas. Sin embargo, algunas arqueas son capaces de usar la luz como fuente de energía. En vez de usar clorofila, usan una proteína de membrana llamada bacteriorrodopsina (un nombre más correcto sería arqueorrodopsina). Halobacterium salinarum normalmente utiliza la respiración aerobia para la liberación de energía a partir de una fuente de energía orgánica. Sin embargo, en condiciones de poco oxígeno y alta intensidad de luz, sintetiza bacteriorrodopsina, que es un pigmento de color púrpura muy similar a la rodopsina de los bastones y los conos de los ojos de los vertebrados. El cromóforo de la bacteriorrodopsina es el retinal, un tipo de carotenoide. Este cromóforo está unido covalentemente a la proteína del pigmento, la cual está insertada en la membrana de forma que el retinal se sitúa en el centro de esta. La bacteriorrodopsina funciona como una bomba de protones impulsada por la luz. Cuando el retinal absorbe luz, se libera un protón y la bacteriorrodopsina sufre una secuencia de cambio conformacionales que trasladan el protón al espacio periplásmico. El bombeo de protones impulsado por la luz genera un gradiente de pH que puede ser usado para la síntesis de ATP mediante quimiósmosis. Esta fototrofia es muy útil para Halobacterium porque el oxígeno no es muy soluble en soluciones concentradas de sal y su concentración puede disminuir enormemente en el hábitat de Halobacterium. Cuando el entorno se vuelve temporalmente anóxico, la arquea usa la energía lumínica para sintetizar suficiente ATP para sobrevivir hasta que lo niveles de oxígeno aumentan de nuevo. Halobacterium no puede crecer en ausencia de oxígeno mediante respiración anaerobia ni Profesor: José Juan Mateo Tolosa 8 Microbiología. Grado BCB Tema 4 fermentación porque necesita oxígeno para la síntesis de retinal. Sin embargo, puede sobrevivir al estrés de una limitación temporal de oxígeno mediante fototrofia. Este tipo de fototrofia no participa el transporte de electrones. Aunque se pensaba que la fototrofia basada en rodopsina era exclusiva de Archaea, recientemente se han descubierto rodopsinas que bombean protones en algunas proteobacterias (proteorrodopsina) y en un hongo. Arqueas metanógenas La metanogénesis es la producción biológica de metano (CH4) y es un proceso característico de las denominadas arqueas metanógenas (anaerobias estrictas), las cuales pertenecen en su mayoría al grupo Euryarchaeota. Actualmente hay descritas una gran cantidad de arqueas metanógenas, que están clasificadas en 6 órdenes basándose en la comparación de las secuencias del gen conservativo ARNr 16S: Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanocellales, Methanosarcinales y Methanopyrales. Los órdenes están divididos en 13 familias y 31 géneros. La clasificación ha sido establecida basándose en los porcentajes de semejanza de las secuencias del gen ARNr 16S. Sin embargo, se ha empleado otro marcador filogenético para establecer relaciones filogenéticas en arqueas metanógenas: la secuencia de la enzima metil-coenzima M reductasa. Las subunidades de esta enzima son filogenéticamente conservadas, en particular, el gen de la subunidad alfa denominada mcrA, del cual se ha podido obtener relaciones similares a las encontradas por el ARNr 16S. Los metanógenos constituyen una fuente natural de metano de origen biológico y se pueden encontrar en hábitats diversos: sedimentos anóxicos, tracto digestivo de animales, chimeneas hidrotermales, digestores de aguas residuales o como endosimbiontes de protozoos anaerobios. En cuanto a su fisiología, se conoce que existen multitud de morfologías y que la composición de la pared celular varía según la especie de la que se trate (puede estar formada por pseudomureína, metanocondroitina, proteínas, glicoproteínas o capa S). Para el cultivo de metanógenos se requieren rigurosas técnicas de anaerobiosis. Además, la mayoría son mesófilos y no halófilos, aunque hay excepciones. La importancia de estos microorganismos radica en su gran impacto ecológico ya que están relacionados con procesos de degradación de materia orgánica. Bajo condiciones anaeróbicas los metanógenos son capaces de degradar hidrocarburos a metano, disminuyendo así la contaminación por hidrocarburos. Además, también intervienen en el tratamiento de aguas residuales, cuyo proceso genera, entre otros gases, metano. A continuación, se detallan algunas características más relevantes de cada uno de los órdenes de arqueas metanógenas: Methanobacteriales: este orden contiene 5 géneros, cuyas especies tienen pseudomureína y lípidos en la pared celular y una morfología de cocos o formas filamentosas. Utilizan como sustrato para la metanogénesis H2/CO2, aunque algunos también pueden usar formiato o alcoholes secundarios. Methanococcales: se incluyen 4 géneros en este orden. Utilizan H2/CO2 para la metanogénesis y sus células tienen una capa celular superficial cristalina (capa S) que forma parte de la envoltura celular. En general son microorganismos hipertermófilos. Methanomicrobiales: orden constituido por 11 géneros. Los miembros de este grupo utilizan H2/CO2, formiato o alcoholes secundarios para la metanogénesis. Tienen morfologías muy variadas (cocos, bacilos, espirales, filamentos o discos) y paredes celulares con una capa S de Profesor: José Juan Mateo Tolosa 9 Microbiología. Grado BCB Tema 4 glicoproteína (también pueden tener una vaina exterior). La mayoría habitan ambientes marinos y mesófilos. Methanocellales: sólo 1 género forma parte de este orden de arqueas metanógenas. La primera especie aislada fue Methanocella paludícola, obtenida en 2008 a partir de suelos de arrozales. Actualmente, sólo hay 2 especies que pertenecen a este orden y ambas pueden utilizar H2/CO2 y formiato para la metanogénesis. Methanosarcinales: Las arqueas metanógenas más variadas desde el punto de vita metabólico están en este grupo, ya que son capaces de producir metano a partir de compuestos con grupos metilo, fermentación de acetato y H2/CO2. Las células de estas especies tienen morfología variada. Methanopyrales: este grupo está representado por una única especie denominada Methanopyrus kandleri cuyas paredes celulares contienen mureína. Se encuentran en sistemas hidrotermales. Para la metanogénesis usan H2/CO2. Metanogénesis La producción biológica de metano es catalizada por un grupo de arqueas anaerobias estrictas llamadas metanógenos. Estos organismos están presentes en los sedimentos de agua dulce, los digestores de lodos de aguas residuales y otros biorreactores, y en el intestino de los animales de sangre caliente, incluidos los humanos. La reducción de CO2 por hidrógeno para producir metano (CH4) es una ruta importante de metanogénesis, y constituye una forma de respiración anaerobia. Transportadores de C1 en la metanogénesis En la metanogénesis a partir de CO2 son necesarios ocho electrones, que se incorporan de dos en dos. Esto lleva a estados de oxidación intermedios del átomo de carbono de +4 (CO2) a -4 (CH4). En la metanogénesis participan algunas coenzimas nuevas que se pueden dividir en dos clases: (1) las que transportan la unidad C1 a lo largo de la ruta de reducción enzimática (transportadores de C1) y (2) las que donan electrones (coenzimas redox). La coenzima metanofurano es necesaria en la primera etapa de la metanogénesis. El metanofurano comprende un anillo furano de cinco miembros y un átomo de nitrógeno que se une al CO2. La metanopterína es una coenzima que participa en la metanogénesis, parecida al ácido fólico y que desempeña una función análoga a la del tetrahidrofolato (una coenzima que participa en las transformaciones de C1) portando la unidad C1 en las etapas intermedias de la reducción de CO2 a metano. La coenzima M (CoM) es necesaria en la etapa final de la metanogénesis, la reducción del grupo metilo (CH3) a metano (CH4). A pesar de no ser un portador de C1, la coenzima F430, que es un tetrapirrol con níquel (Ni2+), también participa en la etapa final de la metanogénesis como parte del complejo enzimático metil-reductasa. Las coenzimas F420 y fosfato de 7-mercaptoheptanoiltreonina (también llamada coenzima B, CoB) son donadores de electrones en la metanogénesis. La coenzima F420 es un derivado de la flavina, estructuralmente similar a la coenzima FMN. F420 tiene una función importante en la metanogénesis como donador de electrones en varios pasos de la reducción de CO2. La coenzima F 420 se llama así porque su forma oxidada absorbe la luz a 420 nm y emite fluorescencia azul verdosa. Esta fluorescencia resulta útil para la identificación de un metanógeno mediante microscopía. La CoB es necesaria en la etapa final de la metanogénesis, catalizada por el complejo enzimático metil-reductasa. La estructura de la CoB es similar a la de la vitamina ácido pantoténico, que forma parte de la acetil- CoA. Profesor: José Juan Mateo Tolosa 10 Microbiología. Grado BCB Tema 4 Metanogénesis a partir de CO2 y H2 Los electrones para la reducción de CO2 a metano normalmente proceden del hidrógeno, pero algunos otros sustratos también pueden suministrarlos en algunos metanógenos. 1. El CO2 es activado por una enzima que contiene metanofurano y es reducido a formilo. El donador de electrones inmediato es la ferredoxina, un fuerte reductor con un potencial de reducción (E0') cercano a -0,4 V. 2. El grupo formilo se transfiere del metanofurano a una enzima que contiene metanopterina. A continuación, es deshidratado y reducido en dos etapas separadas (un total de 4 H) a metileno y metilo. En esta etapa, el donador de electrones inmediato es la F420 reducida. 3. El grupo metilo es transferido por la metil-transferasa de la metanopterina a una enzima que contiene CoM. Esta reacción es muy exergónica y está ligada al bombeo de Na+ a través de la membrana desde el interior de la célula hacia fuera. 4. La metil-CoM es reducida a metano por parte de la metilreductasa. En esta reacción son necesarias la F 430 y la CoB. La coenzima F430 elimina el grupo metilo de la metil-CoM para formar un complejo Ni2+-CH3. Este complejo es reducido por CoB a metano y un complejo disulfuro de CoM y CoB (CoM- S- S-CoB). 5. La CoM y la CoB libres se regeneran por reducción de CoM-S-S-CoB con hidrógeno. Simultáneamente se reduce también la ferredoxina por acción del hidrógeno y vuelve a estar lista para la primera etapa de un nuevo ciclo de reducción de CO2. Metanogénesis a partir de compuestos metílicos y acetato Los metanógenos también pueden producir metano a partir de ciertos compuestos metilados como metanol y acetato. El metanol se cataboliza donando el grupo metilo a una enzima que contiene un corrinoide como coenzima para formar CH3-corrinoide. Los corrinoides son las estructuras de las que derivan compuestos como la vitamina B12, y contienen un anillo porfirinoide con un átomo de cobalto central. Este complejo transfiere el grupo metilo a CoM para dar metil-CoM, a partir de la cual se forma el metano de la misma manera que en la etapa final de la reducción de CO2. Si no hay hidrógeno disponible para llevar a cabo la última etapa, hay que oxidar parte del metanol a CO2 para obtener los electrones necesarios. Esto se lleva a cabo mediante la inversión de las etapas de la metanogénesis. Cuando el acetato es el sustrato de la metanogénesis, primero es activado a acetil CoA, que interacciona con la CO-deshidrogenasa de la ruta de la acetil-CoA. A continuación, se transfiere el grupo metilo del acetato a la enzima con el corrinoide para formar el CH3-corrinoide, y a partir de aquí se lleva a cabo la etapa final de la metanogénesis. Simultáneamente, el grupo CO se oxida para dar CO2 y electrones. Autotrofia La autotrofia en los metanógenos se produce a través de la ruta de la acetil-CoA. Algunas partes de esta ruta ya están integradas en el catabolismo del metanol y el acetato. Sin embargo, los metanógenos carecen de la serie de reacciones de la ruta de la acetil-CoA impulsadas por el tetrahidrofolato que conducen a la producción de un grupo metilo, pero esto no es un problema, porque estos organismos obtienen los grupos metilo directamente de sus donadores de electrones o los sintetizan durante la metanogénesis a partir de hidrógeno y CO2. Así pues, los metanógenos tienen acceso a abundantes grupos metilo, y el uso de algunos de ellos para biosíntesis es poco relevante. El grupo carbonilo del acetato producido durante el crecimiento autótrofo de los metanógenos procede de la actividad de la monóxido de carbono-deshidrogenasa, y la etapa final en la síntesis de acetato es la misma que la de los acetógenos. Profesor: José Juan Mateo Tolosa 11 Microbiología. Grado BCB Tema 4 Conservación de la energía en la metanogénesis En condiciones estándar, la energía libre de la metanogénesis a partir de CO2 e hidrógeno es de -131 kJ/mol. La conservación de la energía en la metanogénesis se produce a expensas de la fuerza protonmotriz o sodiomotriz, según sea el sustrato utilizado; la fosforilación a nivel de sustrato no tiene lugar. Cuando se forma metano a partir de CO2 e hidrógeno, se produce ATP a partir de la fuerza sodiomotriz generada durante la transferencia de un metilo desde la metanopterina hasta la CoM catalizada por la enzima metil-transferasa. Este estado energético de la membrana impulsa después la síntesis de ATP, probablemente a través de una ATPasa regulada por H+ tras la conversión de la fuerza sodiomotriz a fuerza protonmotriz mediante el intercambio de Na+ por H+ a través de la membrana. El rendimiento de ATP por grupo metano producido es, aproximadamente, de 0,5. En algunos metanógenos, como Methanosarcina, un organismo versátil nutricionalmente que puede sintetizar metano a partir de acetato o metanol, así como de CO2 e hidrógeno, se produce un mecanismo diferente de obtención de energía a partir del acetato o el metanol, ya que la reacción de la metiltransferasa no se puede acoplar a la generación de fuerza sodiomotriz en esas condiciones. En cambio, en células que crecen con acetato o metanol la obtención de energía está vinculada a la etapa final de la metanogénesis, en la que actúa la metilreductasa. En esta reacción, la interacción de CoB con metil- CoM y la metil-reductasa produce metano y un compuesto con un grupo heterodisulfuro, CoM-S- S- CoB. Este último es reducido por el hidrógeno para regenerar las coenzimas CoM-SH y CoB-SH. Esta reducción, que es catalizada por la heterodisulfuro-reductasa, es exergónica y está acoplada al bombeo de protones a través de la membrana. Los electrones del hidrógeno pasan a la heterodisulfuro-reductasa a través de un transportador de electrones asociado a la membrana llamado metanofenazina. Este compuesto es reducido por la F 420 y posteriormente oxidado por un citocromo de tipo b, que es el donador de electrones para la heterodisulfuro-reductasa. Los metanógenos que solo pueden usar CO2 e hidrógeno para la metanogénesis carecen de citocromos y metanofenazina. Así pues, en los metanógenos observamos al menos dos mecanismos de fijación de la energía: (1) una fuerza protonmotriz vinculada a la reacción de la metil-reductasa y utilizada para la síntesis de ATP en células que crecen con acetato o metanol, y (2) una fuerza sodiomotriz (probablemente convertida en fuerza protonmotriz) durante la metanogénesis a partir de CO2 e hidrógeno. Arqueas hipertermófilas Dentro del dominio Archaea resulta interesante el estudio de un grupo de especies que sobreviven en un rango de temperaturas elevado, entre 45ºC y 121ºC, denominadas termófilas o hipertermófilas. Únicamente se han descrito arqueas hipertermófilas en los filos Crenarchaeota, Euryarchaeota y Nanoarchaeota. En total se han descrito 38 géneros y unas 119 especies de este tipo de arqueas, agrupados en 11 órdenes taxonómicos. Los microorganismos termófilos son aquellos que crecen de forma óptima a temperaturas superiores a 45ºC, mientras que los hipertermófilos necesitan temperaturas por encima de 80ºC para desarrollarse correctamente. Las arqueas hipertermófilas se pueden encontrar repartidas por todo el planeta, sobre todo en suelos y aguas que son calentados por la actividad de diversos volcanes. La temperatura de ebullición del agua es de 100ºC, pero en zonas oceánicas sometidas a altas presiones hidrostáticas, el agua puede estar en estado líquido hasta alcanzar temperaturas mucho más altas. Es por ello por lo que, al haber presencia de agua líquida, puede existir vida celular a más de 100ºC. Sin embargo, por encima de 150ºC las moléculas de ATP se degradan, por lo que podemos considerar que a esa temperatura se encuentra el límite superior a partir del cual no es compatible la vida. Profesor: José Juan Mateo Tolosa 12 Microbiología. Grado BCB Tema 4 A continuación, se describen brevemente las características de los filos que contienen especies hipertermófilas: En el filo Euryarchaeota encontramos arqueas de todo tipo: haloarqueas, metanógenos, acidófilos extremos y algunas hipertermófilas. Estas últimas están incluidas en los órdenes: Archaeoglobales, Methanobacteriales, Methanococcales, Methanopyrales y Thermococcales. En este grupo se distinguen morfologías diversas y pueden teñirse como Gram-positivas o Gram-negativas, según la presencia o ausencia de pseudomureína en las paredes celulares. El filo Crenarchaeota únicamente incluye a la clase Thermoprotei, dividida en 5 órdenes: Thermoproteales, Acidilobales, Desulfurococcales, Fervidicoccales y Sulfolobales. Son morfológicamente diversos (cocos, filamentos, bacilos, discos), se tiñen como Gram-negativos y todos los miembros son termófilos obligados. Por último, el filo Nanoarchaeota sólo contiene a una especie, denominada Nanoarchaeum equitans, microorganismo que tiene su crecimiento óptimo a temperatura próxima a los 90ºC. Es la única arquea estudiada hasta el momento que vive en simbiosis con otra arquea (crenarqueotas del género Ignococcus). Las arqueas hipertermófilas deben poseer mecanismos de adaptación para conferir estabilidad térmica a la estructura de sus células y a sus biomoléculas. Las adaptaciones son las siguientes: Membrana plasmática formada por una monocapa, en lugar de una bicapa lipídica, que es más resistente al calor. Además, sintetizan lípidos bipolares de membrana del tipo tetraéter de dibifitanilo que aumentan aún más la resistencia. Presencia de unas proteínas de “choque térmico” denominadas chaperonas, que evitan la desnaturalización de proteínas a altas temperaturas. Para ello las chaperonas se unen a las proteínas y facilitan su correcto plegamiento. La ausencia de peptidoglicano en la pared celular de las arqueas hace que sean resistentes a las lisozimas. En su lugar está formada por una capa paracristalina (capa S) que contiene proteínas y glucoproteínas hexagonales. Cambios en la secuencia de aminoácidos que permitan la compactación de sus proteínas. Incremento de la concentración citoplasmática de solutos compatibles, como la ectoína, que permitan estabilizar evitar posibles daños químicos al ADN. Presencia de la girasa inversa, una enzima topoisomerasa de tipo I capaz de producir un superenrollamiento positivo en el ADN evitando la desnaturalización de la doble hélice debido al calor. Arqueas acidófilas extremas Las arqueas acidófilas extremas o hiperacidófilas son aquellas que se desarrollan a pH menor de 3. En general, suelen ser también termófilas y en estos casos reciben el nombre de termoacidófilas extremas. Las arqueas hiperacidófilas se encuentran distribuidas en los órdenes Sulfolobales (filo Crenarchaeota) y Thermoplasmatales (filo Euryarchaeota). En cuanto al hábitat de estas especies, se conoce que crecen en terrenos geológicos volcánicos con fisuras por las que salen de forma intermitente vapores sulfurosos. Muchas de estas especies oxidan el azufre para la conservación de la energía y son los responsables de los valores bajos de pH observados en estos ambientes. La mayoría tienen morfología de cocos irregulares de 1-2 µm de diámetro y crecen de forma aerobia y/o anaerobia a la temperatura de ebullición en su ambiente natural. Profesor: José Juan Mateo Tolosa 13 Microbiología. Grado BCB Tema 4 Los organismos del género Picrophilus (filo Euryarchaeota) son los más acidófilos ya que su pH óptimo de crecimiento es 0,7 a una temperatura de 59ºC, incluso mueren a pH mayor de 4. Para adaptarse a estas condiciones tan ácidas, las células de Picrophilus poseen una membrana citoplasmática especial que mantiene el pH interno del citoplasma neutro e impide el paso de protones al interior de la célula. Cuando el pH exterior es superior a 4, la membrana pierde su integridad y por tanto se produce la muerte celular. En el orden Sulfolobales encontramos el único grupo donde se incluyen arqueas termoacidófilas (tienen afinidad por ambientes donde la temperatura y la acidez son elevadas). Estas condiciones ambientales se encuentran en manantiales sulfurosos o cerca de fuentes hidrotermales oceánicas. Todas las especies de este orden crecen de forma óptima a 65-95ºC, pH 2-4 y en condiciones aeróbicas. Las células son irregulares, lobulares y a veces pueden ser móviles. Este orden está compuesto por 6 géneros: Sulfolobus, Acidianus, Metallosphaera, Stygiolobus, Sulfurisphaera y Sulfurococcus. La primera especie hipertermófila aislada fue Sulfolobus acidocaldarius. Por otra parte, en el orden Thermoplasmatales se incluyen 5 géneros: Thermoplasma, Acidiplasma, Ferroplasma, Picrophilus y Thermogymnomonas. Todos son acidófilos extremos, siendo su pH óptimo de crecimiento 3 o inferior. Las células de las especies de este orden son pleomórficas y aerobias estrictas o facultativas. Para poder soportar altas temperaturas y acidez, en lugar de pared celular, poseen una membrana citoplasmática de estructura monocapa compuesta por lipoglicano (lipopolisacárido). Aplicaciones biotecnológicas de las arqueas Las propiedades inusuales de las arqueas y la gran estabilidad de sus componentes celulares, las convierten en un gran recurso para el desarrollo de nuevos procesos biotecnológicos y aplicaciones industriales. Algunas de ellas son las siguientes: Los liposomas son vesículas constituidas por bicapas lipídicas, alternadas con partes acuosas, que son capaces de captar en su interior una gran variedad de compuestos. Los lípidos de membrana de las arqueas tienen una mayor resistencia a la oxidación, hidrolisis química y ataque de esterasas en comparación con los lípidos de membrana de otros microorganismos de diferente dominio. Por ello, se utilizan para elaborar unos liposomas especiales denominados arqueosomas, que tienen útiles aplicaciones en biotecnología. Estos arqueosomas tienen mayor eficiencia de encapsulación que los liposomas convencionales y poseen una potencial actividad transportadora de diversas sustancias y principios activos, mejorando incluso la eficacia de los mismos. Se ha ensayado el uso de los arqueosomas como transportadores de antígenos y vacunas, obteniendo resultados muy favorables, y en la industria cosmética como sistemas de vectorización por vía tópica. Las haloarqueas tienen algunos inconvenientes relacionados con sus requerimientos salinos, ya que las sales encarecen los procesos y pueden producir la corrosión de los sistemas de cultivo; además el crecimiento es, en general, más lento que las de las bacterias. Sin embargo, son muy útiles en diferentes campos: o Una aplicación interesante de las haloarqueas es su capacidad de producir proteínas antimicrobianas, denominadas halocinas. Estas moléculas han demostrado ser activas frente a células tanto procariotas como eucariotas, por lo que pueden llegar a ser muy efectivas. Hay estudios que confirman que algunas halocinas son capaces de disminuir el crecimiento de la línea celular de cáncer de colon SW620. Profesor: José Juan Mateo Tolosa 14 Microbiología. Grado BCB Tema 4 o Sirven para la elaboración de ciertos alimentos fermentados o para la producción de proteínas recombinantes, debido a los mínimos riesgos de contaminaciones en el laboratorio. o Las haloarqueas producen bacteriorrodopsina, una proteína que interviene en la síntesis de ATP (mediante fotosíntesis). Se trata de una molécula muy estable termodinámicamente por lo que tiene aplicaciones tecnológicas interesantes, sobre todo en el campo de la bioelectrónica. Se destaca su uso en la construcción de celdas fotovoltaicas, en la elaboración de discos de almacenamiento de datos de alta capacidad o en sistemas convertidores de energía luminosa en química. Por tanto, es interesante la obtención de bacteriorrodopsina de fuentes naturales, para poder ofertarlo como materia prima a gran escala. Las enzimas producidas por organismos extremófilos se denominan extremoenzimas. Son capaces de permanecer activas catalíticamente bajo condiciones extremas de temperatura, pH, salinidad y presión. Hay muchos metabolitos de este tipo que han sido aislados y tienen aplicaciones industriales importantes. Sin embargo, existen problemas técnicos que dificultan el uso de estos compuestos en las grandes empresas, sobre todo por su disponibilidad. Se han realizado técnicas de clonación de los genes que codifican estas enzimas, en células huéspedes mesófilas, es decir, células cuyo hábitat natural es a temperatura moderada, entre 15-60ºC. De esta forma se sobreproduce la enzima y se puede alterar sus propiedades para adaptarlas a las demandas comerciales. Algunos de estos huéspedes mesófilos son Bacillus subtilis o Escherichia coli. Gracias a las técnicas de ingeniería genética es posible crear nuevos biocatalizadores, a pesar de la limitada disponibilidad de estos, para mejorar los procesos de biotransformación y dirigir las reacciones a determinados fines industriales (blanqueamiento de papel, ingeniería genética…). Las capas S de la envoltura celular de las arqueas han demostrado ser excelentes estructuras con aplicación en nanotecnología molecular y biomineralización, ya que tienen una alta capacidad de unión y una gran habilidad para recristalizar de forma uniforme en superficies sólidas. Las arqueas metanógenas tienen interés industrial porque pueden ser usadas para producir energía, ya que el metano es un combustible poco contaminante, y para obtener biogás a través de biodigestores. Las enzimas de arqueas hipertermófilas, al ser muy compactas para soportar altas temperaturas, son capaces de resistir también a otros agentes, como detergentes o disolventes orgánicos. Esto las hace interesantes para diversas aplicaciones: o Industria azucarera, textil y papelera: hay varias enzimas de arqueas que intervienen en el metabolismo de los hidratos de carbono, con las que se pueden obtener jarabes de glucosa, frutosa, elaboración de bebidas, etc. o Industria farmacéutica: se puede determinar la glucosa en sangre y realizar otros procesos analíticos con ciertas enzimas de arqueas, como por ejemplo con la enzima glucosa DSH de Sulfolobus solfataricus. o Biología molecular: Para la realización de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) son necesarias ADN polimerasas termoestables, ya que hay etapas del proceso en las que la temperatura es muy elevada. Hay ciertas especies de arqueas de las que se extraen este tipo de enzimas, por ejemplo, de la especie Pyrococcus furiosus obtenemos la enzima polimerasa Pfu (Pfu-pol). Hay arqueas acidófilas y/o termófilas que son útiles en la industria minera. Esta aplicación es de las más importantes y está en auge actualmente. La biolixiviación es el proceso de solubilización de metales asociados a sulfuros, utilizando la acción de ciertos microorganismos. La recuperación de Profesor: José Juan Mateo Tolosa 15 Microbiología. Grado BCB Tema 4 cobre es el método más estudiado, a diferencia de otros metales como níquel, cinc o cobalto que continúan aún en investigación. Se han propuesto dos mecanismos que describen la biolixiviación: o Mecanismo directo: es el mediado por la acción de microorganismos y las reacciones químicas son catalizadas por enzimas. Requiere el contacto físico de los organismos con el mineral. o Mecanismo indirecto: en este caso no hay contacto físico entre los microorganismos y el mineral, aunque estos son importantes porque pueden formar reactivos químicos que intervienen en el proceso. En este caso las reacciones químicas pueden no ser enzimáticas. Este procedimiento es el más aceptado y su mecanismo químico consiste en el ataque oxidativo de iones férrico y protones sobre el mineral. Hay dos vías que describen la disolución de sulfuros metálicos: mecanismo del tiosulfato y mecanismo del polisulfuro. Estos nombres provienen del compuesto principal de azufre intermediario que interviene. Algunas de las especies de arqueas más representativas que participan en biolixiviación son las pertenecientes al género Acidianus, como Acidianus copahuensis, al género Ferroplasma, como Ferroplasma thermophilum, al género Sulfolobus, como Sulfolubus metallicus o al género Metallosphaera, como Metallosphaera sedula. En concreto Sulfolobus metallicus es una arquea acidófila y quimiolitotrofa cuyas enzimas son capaces de solubilizar películas de calcopirita (CuFeS2) que se forman sobre explotaciones mineras. La biolixiviación es una alternativa más ecológica, ya que existen técnicas tradicionales de extracción de metales que producen un impacto negativo en el medio ambiente. Por ello, es interesante seguir investigando en el área denominada biominería, que describe tecnologías que utilizan sistemas biológicos para facilitar la recuperación de metales a partir de minerales y materiales de desecho. Profesor: José Juan Mateo Tolosa 16