Filogenia de los seres vivos: dominio Archaea

FILOGENIA DE LOS SERES VIVOS: DOMINIO ARCHAEA Nuria Garzón Pinto Facultad de Farmacia Universidad de Sevilla Septiembre de 2017 FILOGENIA DE LOS SERES VIVOS: DOMINIO ARCHAEA TRABAJO FIN DE GRADO Nuria Garzón Pinto Tutores: Antonio Ventosa Ucero y Cristina Sánchez-Porro Álvarez Tipología del trabajo: Revisión bibliográfica Grado en Farmacia. Facultad de Farmacia Departamento de Microbiología y Parasitología (Área de Microbiología) Universidad de Sevilla Sevilla, septiembre de 2017 RESUMEN A lo largo de la historia, la clasificación de los seres vivos ha ido variando en función de las diversas aportaciones científicas que se iban proponiendo, y la historia evolutiva de los organismos ha sido durante mucho tiempo algo que no se lograba conocer con claridad. Actualmente, gracias sobre todo a las ideas aportadas por Carl Woese y colaboradores, se sabe que los seres vivos se clasifican en 3 dominios (Bacteria, Eukarya y Archaea) y se conocen las herramientas que nos permiten realizar estudios filogenéticos, es decir, estudiar el origen de las especies. La herramienta principal, y en base a la cual se ha realizado la clasificación actual es el ARNr 16S. Sin embargo, hoy día sedispone de otros métodos que ayudan o complementan los análisis de la evolución de los seres vivos. En este trabajo se analiza cómo surgió el dominio Archaea, se describen las características y aspectos más importantes de las especies este grupo y se compara con el resto de dominios (Bacteria y Eukarya). Las arqueas han despertado un gran interés científico y han sido investigadas sobre todo por su capacidad para adaptarse y desarrollarse en ambientes extremos. En base a este aspecto, independientemente de su clasificación taxonómica, se conocen 4 grupos importantes de arqueas extremófilas: haloarqueas, arqueas metanógenas, arqueas hipertermófilas y arqueas acidófilas extremas. Todas ellas poseen un gran potencial industrial en diferentes campos que puede ser aprovechado por los seres humanos (medio ambiente, bioquímica, farmacología, industria minera, etc…). Por este motivo, las arqueas son un interesante objeto de estudio, ya que aún queda mucha información por conocer sobre estos microorganismos. Palabras clave: Archaea, filogenia, arqueas, ARNr 16S, metanógenos, haloarqueas, extremófilos. ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 1 2. OBJETIVOS ................................................................................................................. 3 3. METODOLOGÍA .......................................................................................................... 3 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................................ 6 4.1. Filogenia molecular ............................................................................................ 6 4.2. Características de las arqueas .......................................................................... 10 4.3. Clasificación de las arqueas ............................................................................. 12 4.4. Haloarqueas ..................................................................................................... 16 4.5. Arqueas metanógenas ..................................................................................... 19 4.6. Arqueas hipertermófilas .................................................................................. 23 4.7. Arqueas acidófilas extremas ............................................................................ 25 4.8. Aplicaciones biotecnológicas de las arqueas ................................................... 27 5. CONCLUSIONES ....................................................................................................... 30 6. BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................... 31 1 1. INTRODUCCIÓN La Tierra tiene unos 4600 millones de años. Al principio solo existían microorganismos con metabolismo anaerobio ya que la atmósfera no tenía oxígeno. Los fotótrofos anoxigénicos (organismos que captan la energía de la luz solar y no liberan oxígeno) fueron los primeros organismos en aparecer en nuestro planeta. La atmósfera comenzó a oxigenarse unos mil millones de años después, con la aparición de las cianobacterias, que son organismos fotótrofos que sí liberan oxígeno. Este hecho provocó que aparecieran nuevas formas de vida multicelulares que fueron evolucionando hasta dar lugar a las plantas y animales (Sánchez-Santillán et al., 2014). En el año 1859, tras la publicación del libro “El origen de las especies” de Charles Darwin, se comenzó a investigar sobre la historia evolutiva de los seres vivos y durante más de cien años principalmente se obtuvo información a partir del examen de fósiles y mediante la comparación de los rasgos de los organismos vivos. Pero este método no resultó satisfactorio para explicar la evolución de los microorganismos, ya que la mayoría no dejan fósiles tras de sí y sus rasgos morfológicos proporcionan poca información sobre sus antepasados. En 1866, Ernst Haeckel hizo una gran aportación en la clasificación de los seres vivos llamando Monera a los organismos unicelulares y sugiriendo que eran antepasados de otras formas de vida (Kutschera, 2016). Posteriormente, Robert Harding Whittaker en 1969 creó un sistema de cinco reinos basándose en sus características estructurales: Monera (que incluye a los procariotas), Protista (organismos eucariotas unicelulares), Plantae (eucariotas pluricelulares fotosintéticos), Fungi (eucariotas pluricelulares que obtienen su alimento por absorción) y Animalia (organismos invertebrados, excepto protozoos, y los vertebrados) (Hickman et al., 2006). Sin embargo, aún seguían sin resolverse las relaciones evolutivas entre la mayoría de los microorganismos. Carl Woese y colaboradores dieron un giro conceptual en la década de 1970, tras el descubrimiento de la estructura del ADN, llegando a la conclusión de que la historia evolutiva está registrada en el ADN. Propusieron la clasificación de los seres vivos en tres 2 dominios: Archaea, Bacteria y Eukarya, basándose en la utilización de la subunidad menor del ARN ribosómico (ARNr 16S) como marcador filogenético (Woese et al., 1990). Archaea y Bacteria contienen a los microorganismos procariotas y Eukarya a los eucariotas. Los ARN ribosómicos (ARNr) forman parte de los ribosomas y son esenciales para la síntesis de proteínas en el proceso de traducción. Woese comparó las secuencias de las moléculas de ARNr de la subunidad pequeña de muchos microorganismos y observó que había un nuevo grupo de especies cuyas secuencias eran muy diferentes a las de bacterias y eucariotas. A este nuevo grupo lo denominó Archaea (originariamente Archaeobacteria) y así surgió el que hoy conocemos como el tercer dominio de la vida (Madigan et al., 2015). Woese demostró que la observación de los genes que codifican los ARNr ofrece una gran información sobre las relaciones evolutivas de los seres vivos. Esta idea ha permitido construir el primer árbol universal de la vida (Figura 1), un diagrama que representa la historia evolutiva y nos permite establecer hipótesis sobre las características de un organismo, ya que las especies que comparten un antepasado común probablemente también compartirán algunas características. Figura 1. Árbol filogenético universal de la vida. Contiene los nombres de los tres dominios y algunos grupos representativos de cada uno (Madigan et al., 2015). Por tanto, el ARNr 16S constituye una herramienta estandarizada para identificar y clasificar microorganismos existentes en los diversos ambientes. Esta idea fue acogida por la comunidad científica y la secuencia del ARNr 16S se ha utilizado para conformar 3 bases de datos especializadas que se utilizan actualmente. El Ribosomal Database Project (RDP) contiene una enorme colección de estas secuencias que continúa aumentando de forma progresiva. 2. OBJETIVOS El objetivo general de este trabajo es recopilar la información existente sobre el Dominio Archaea. Se pretende mostrar una idea general de este interesante grupo de microorganismos y suscitar el interés de la importancia de seguir investigando en este campo, debido a la gran repercusión que pueden llegar a tener en nuestro planeta y en los seres humanos. Este propósito se ha llevado a cabo mediante los siguientes objetivos específicos: • Desarrollar la historia de la clasificación de los seres vivos. • Explicar cómo surgió el dominio Archaea. • Analizar las herramientas y los métodos que se utilizan para determinar la filogenia de los seres vivos. • Exponer las características diferenciales del dominio Archaea y su clasificación taxonómica. • Profundizar en los grupos de arqueas extremófilas más relevantes: haloarqueas, arqueas metanógenas, arqueas hipertermófilas y arqueas acidófilas extremas. • Proyectar las diversas aplicaciones industriales de las arqueas de forma general. 3. METODOLOGÍA El título de esta revisión bibliográfica es “Filogenia de los seres vivos: dominio Archaea”. En base a este título, las principales palabras claves que se han utilizado han sido: Archaea, filogenia (phylogeny), metanógenos (methanogens), haloarqueas (haloarchaea) y extremófilos (extremophiles). Como palabras clave secundarias se han utilizado: biotecnología (biotechnology), genes (gens), ARNr 16S, MLST. 10 muchas aplicaciones en el diagnóstico clínico y en análisis microbianos de alimentos, agua y bebidas (Madigan et al., 2015). 4.2. Características de las arqueas Cada uno de los tres dominios (Bacteria, Eucarya y Archaea) tienen características propias y otras en común (Tabla 1). 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 (Vargas y Villazante, 2014). Uno de los aspectos diferenciales del dominio Archaea es la presencia de lípidos de membrana con enlaces éter, en lugar de enlaces éster (presentes en los lípidos de Bacteria y Eukarya) (Delgado, 2015). En cuanto a la pared celular, la mayoría de las células de Bacteria y Archaea tienen una pared para poder soportar altas presiones, impedir la lisis celular y dotar a la célula de forma y rigidez. Sin embargo, el componente principal de la pared celular de las bacterias se encuentra ausente en la pared de las arqueas. Dicho componente es el peptidoglicano. Esta ausencia hace que las arqueas sean resistentes a las lisozimas y a la penicilina, ya que son agentes que destruyen o impiden la síntesis de peptidoglicano. La estructura más común de la pared celular dentro de las arqueas es la constituida por una capa superficial paracristalina o capa S, formada por un entrelazamiento de glicoproteínas y proteínas. Las capas S son muy resistentes por lo que pueden ser el único componente de la pared celular. No obstante, en muchos casos se encuentra acompañada de otros componentes, pero la capa S siempre será la que está en contacto directo con el medio externo (Madigan et al., 2015). Por otra parte, el proceso de transcripción (síntesis de ARN a partir de ADN como molde) es muy parecido en Eukarya y Archaea. Las arqueas tienen una sola ARNpolimerasa y es muy parecida a la ARN-polimerasa II eucariótica. Ambas tienen una estructura más compleja que la bacteriana (Madigan et al., 2015). 11 Tabla 1. Comparación de las características de los tres dominios: Archaea, Bacteria y Eukarya. CARACTERÍSTICAS ARCHAEA BACTERIA EUKARYA Envoltura nuclear Ausente Ausente Presente Organización celular Procariota Procariota Eucariota Peptidoglicano en la pared celular Ausente Presente Ausente Unión lípidos de la membrana plasmática al glicerol Enlace éter Enlace éster Enlace éster Ribosomas 70S 70S 80S ARN polimerasa Varias Una Tres Fosfolípidos de la membrana plasmática Ramificados No ramificados No ramificados Sensibilidad a antibióticos No Si No Metanogénesis Si No No 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) (Ramírez et al., 2006). 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. 12 4.3. 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 (Nunoura et al., 2011). La clasificación taxonómica de las arqueas (Tabla 2) 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 (de la Haba et al., en prensa): • 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 (Madigan et al., 2015). • 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 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 (Huber et al., 2003) 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 (Alquéres et al., 2007). El filo Nanoarchaeota únicamente contiene esta especie, perteneciente al género Nanoarchaeum. 13 • 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 (Castelle et al., 2015). Tabla 2. Clasificación taxonómica de las arqueas. FILO CLASE ORDEN FAMILIA GÉNERO Nº ESPECIES Crenarchaeota Thermoprotei Thermoproteales Thermofilaceae Thermofilum 10 Thermoproteaceae Calvidirga 9 Pyrobaculum 20 Thermocladium 3 Thermoproteus 14 Vulcanisaeta 16 Acidilobales Acidilobaceae Acidilobus 9 Caldisphaeraceae Caldisphaera 2 Desulfurococcales Desulfurococcaceae Aeropyrum 3 Desulfurococcus 9 Ignicoccus 3 Ignisphaera 4 Staphylothermus 4 Stetteria 1 Sulfophobocococcus 1 Thermodiscus 1 Thermogladius 2 Thermosphaera 1 Pyrodictiaceae Geogemma 2 Hyperthermus 2 Pyrodictium 4 Pyrolobus 1 Caldococcus 1 Fervidicoccales Fervidicoccaceae Fervidicoccus 1 Sulfolobales Sulfolobaceae Acidianus 20 Metallosphaera 10 Stygiolobus 1 Sulfodiicoccus 1 Sulfolobus 70 Sulfurisphaera 1 Euryarchaeota Methanobacteria Methanobacteriales Methanobacteriaceae Methanobacterium 123 Methanobrevibacter 112 Methanosphaera 6 Methanothermobacter 14 Methanothermaceae Methanotermus 3 Archaeoglobi Archaeogloblales Archaeoglobaceae Archaeoglobus 37 Ferroglobus 1 Geoglobus 9 14 Tabla 2. Clasificación taxonómica de las arqueas (Cont.). FILO CLASE ORDEN FAMILIA GÉNERO Nº ESPECIES Euryarchaeota (continuación) Halobacteria Halobacteriales Haloarculaceae Halapricum 1 Haloarcula 388 Halomicroarcula 4 Halomicrobium 25 Halorhabdus 13 Halorientalis 8 Halosimplex 10 Natronomonas 18 Halobacteriaceae Haladaptatus 13 Halalkalicoccus 6 Halarchaeum 21 Haloarchaeobius 6 Halobacterium 230 Halodesulfurarchaeum 1 Halomarina 7 Halorubellus 2 Halorussus 8 Halovenus 5 Natronoarchaeum 8 Salarchaeum 2 Halococcaceae Halococcus 101 Haloferacales Haloferacaceae Halobellus 17 Haloferax 262 Halogeometricum 41 Halogranum 30 Halopelagius 5 Haloplanus 23 Haloprofundus 2 Haloquadratum 2 Halorubraceae Halobaculum 3 Halohasta 3 Halolamina 39 Halonotius 3 Haloparvum 1 Halopenitus 9 Halorubrum 850 Salinigranum 2 Natrialbales Natrialbaceae Halobiforma 8 Halopiger 22 Halostagnicola 10 Haloterrigena 181 Halovivax 19 Natrialba 38 Natrinema 99 Natronobacterium 25 Natronococcus 37 Natronolimnobius 6 Natronorubrum 19 Salinarchaeum 5 Methanococci Methanococcales Methanocaldococcaceae Methanocaldococcus 19 Methanotorris 3 Methanococcaceae Methanococcus 18 Methanothermococcus 16 15 Tabla 2. Clasificación taxonómica de las arqueas (Cont.). FILO CLASE ORDEN FAMILIA GÉNERO Nº ESPECIES Euryarchaeota (continuación) Methanomicrobia Methanocellales Methanocellaceae Methanocella 4 Methanomicrobiales Methanocalculaceae Methanocalculus 29 Methanocorpusculaceae Methanocorpusculum 11 Methanomicrobiaceae Methanoculleus 72 Methanofollis 9 Methanogenium 7 Methanolacinia 2 Methanomicrobium 2 Methanoplanus 4 Methanoregulaceae Methanolinea 16 Methanoregula 18 Methanosphaerula 1 Methanospirillaceae Methanospirillum 7 Methanosarcinales Candidatus Methanoperedenaceae Candidatus Methanoperedens 3 Methanosaetaceae Methanosaeta 38 Methanosarcinaceae Methanimicrococcus 2 Methanococcoides 13 Methanohalobium 2 Methanohalophilus 21 Methanolobus 20 Methanomethylovorans 9 Methanosalsum 3 Methanosarcina 79 Methermicoccaceae Methermicoccus 1 Methanopyri Methanopyrales Methanopyraceae Methanopyrus 6 Thermococci Thermococcales Thermococcaceae Palaeococcus 4 Pyrococcus 86 Thermococcus 322 Thermoplasmata Methanomassiliicoccales Methanomassiliicoccacea e Candidatus Methanogranum 1 Candidatus Methanomethylophilus 3 Candidatus Methanoplasma 1 Methanomassiliiciccus 20 Thermoplasmatales Cuniculiplasmataceae Cuniculiplasma 2 Ferroplasmaceae Acidiplasma 3 Ferroplasma 6 Picrophilaceae Picrophilus 2 Thermoplasmataceae Thermoplasma 13 Korarchaeota Korarchaea Korarchaeales Korarchaeum 1 Nanoarchaeota Nanoarchaeales Nanoarchaeaceae Nanoarchaeum 1 Thaumarchaeota Thaumarchaea Cenarchaeales Cenarchaeaceae Cenarchaeum 1 Nitrososphaeria Candidatus Nitrosocaldales Candidatus Nitrosocaldaceae 1 Nitrosopimulales Nitrosopumilaceae Nitrosopumilus 17 Candidatus Nitrosoarchaeum 2 Candidatus Nitrosomarinus 1 16 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. 4.4. 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 (Madigan et al., 2015). 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 (Reyes-Martínez y Zavaleta, 2005). 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 los salazones. Ejemplos de localizaciones con estos ambientes son: el Gran Lago Salado (Estados Unidos) o el Mar Muerto, entre otros (de la Haba et al., en prensa). 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 (Figura 4) debido a los pigmentos carotenoides localizados en las membranas de estas especies, denominados bacteriorruberinas (Madigan et al., 2015). Sin embargo, no todas las haloarqueas son pigmentadas. Existen algunas excepciones, como las especies del género Natrialba, que dan lugar a colonias blanquecinas. La coloración típica del medio se puede deber también a la presencia de bacterias como 17 Salinibacter y al alga Dunaliella salina que también contienen pigmentos carotenoides pero de naturaleza diferente. 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, cuadradas…) y son microorganismos capaces de utilizar diversos compuestos orgánicos como fuente de carbono y energía (Madigan et al., 2015). 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 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 (de la Haba et al., en prensa). 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 Figura 4. El Lago Hillier (Australia) tiene una concentración muy elevada de sales y presenta un color rosáceo característico debido al crecimiento, entre otros, de arqueas halófilas. 18 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 (Amoozegar et al., 2017). 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 (bacteriorruberinas, nombrados anteriormente) 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 (Madigan et al., 2015). A día de hoy no se han descrito haloarqueas patógenas para los seres humanos, animales o plantas. Sin embargo, se ha demostrado que existe una mayor diversidad de la que conocemos actualmente y hay muchas especies que aún no se han aislado en cultivo de laboratorio. Aunque las haloarqueas constituyen un grupo muy importante, hay otro tipo de arqueas cuyo estudio resulta interesante, los cuales se desarrollan a continuación. 19 4.5. 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 (García, 2014). Esta organización taxonómica se puede ver de forma esquematizada en la Figura 5, incluida al final de este apartado. 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 (García, 2014). Los metanógenos constituyen una fuente natural de metano de origen biológico y se pueden encontrar en hábitats diversos: sedimentos anóxicos (marismas o pantanos), tracto digestivo de animales (ciego de caballos y conejos, rumen de rumiantes, intestino grueso de humanos o cerdos…), chimeneas hidrotermales (fuentes geotérmicas de H2 y O2), digestores de aguas residuales (instalaciones artificiales de biodegradación) o como endosimbiontes de protozoos anaerobios (Madigan et al., 2015). 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) (Madigan et al., 2015). Para el cultivo de metanógenos se requieren rigurosas técnicas de anaerobiosis. Además, la mayoría son mesófilos y no halófilos, aunque hay excepciones. 26 de Picrophilus poseen una membrana citoplasmática especial que mantiene el pH interno del citoplasma neutro (pH 4,6) 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 (Cavicchioli, 2006). 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 (Tabla 3). 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). Tabla 3. Temperatura y pH óptimos para el crecimiento de los 5 géneros del orden Thermoplasmatales, así como sus características más relevantes. GÉNEROS pH TEMPERATURA CARACTERÍSTICAS Thermoplasma 2 60ºC Aerobios y anaerobios, quimioorganotrofos Acidiplasma 1,0 – 1,7 Termófilo moderado (42,0 - 53,6ºC) Heterótrofos, quimiolitotrofos o quimioorganotrofos Ferroplasma 1,0 – 1,7 Mesófilo (35ºC) Autótrofos estrictos, quimiolitotrofos Picrophilus 0,7 60ºC Aerobios estrictos, quimioorganoheterótrofo Thermogymnomonas 3 60ºC Aerobios estrictos, quimioorganoheterótrofo 27 4.8. 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 (Cavicchioli, 2006). 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 (Pérez, 2014). 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 (Botella, 2017). 28 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 (de la Haba et al., en prensa). 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 (Reyes-Martínez y Zavaleta, 2005). • 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 (Alquéres et al., 2007). 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 (Cálcena y Capello, 2007). 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 (Alquéres et al., 2007). 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 29 que tienen una alta capacidad de unión y una gran habilidad para recristalizar de forma uniforme en superficies sólidas (Alquéres et al., 2007). • 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) (Elshawadfy et al., 2014). • 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 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 (Castro, 2016): 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. 30 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 (Castro, 2016). 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 (Johnson, 2014). 5. CONCLUSIONES Recopilando la información que se ha expuesto en este trabajo podemos afirmar que actualmente los seres vivos se clasifican en 3 dominios de vida que son Bacteria, Eukarya y Archaea. Se ha podido llegar a esta clasificación mediante el análisis de la secuencia del ARNr 16S, que es el mejor cronómetro molecular conocido hasta el momento. Esta molécula sirve para poder conocer la historia evolutiva de los organismos procariotas y poder encuadrar a cada especie en su grupo taxonómico. 31 En cuanto al dominio Archaea, está formado por especies procariotas, sin embargo, poseen características en común con eucariotas. Estos microorganismos se dividen taxonómicamente en 5 filos denominados: Crenarchaeota, Euryarchaeota, Korarchaeota, Nanoarchaeota y Thaumarchaeota. Sin embargo, se suele hablar de 4 grupos bien diferenciados de arqueas: haloarqueas, arqueas metanógenas, arqueas hipertermófilas y arqueas acidófilas extremas. Las especies de estos grupos se caracterizan por crecer de forma óptima en ambientes con condiciones extremas donde la mayoría de las especies no podrían vivir (elevada concentración de sales, elevada temperatura o pH ácido). Para poder sobrevivir en estos ambientes, las arqueas extremófilas han desarrollado interesantes mecanismos de adaptación. El descubrimiento de organismos extremófilos hace pensar que es posible la vida en otro lugar del universo, aunque las condiciones ambientales sean muy diferentes a las de la Tierra. Finalmente, comentar que las arqueas son capaces de producir moléculas que transportan de una forma óptima principios activos, de fabricar enzimas muy resistentes, de producir energía en forma de metano o de facilitar la recuperación del cobre en la industria minera. Estas son algunas de las aplicaciones industriales de las arqueas, y aún quedan muchas más que continúan siendo desconocidas. En un futuro no muy lejano, con la mejora de las metodologías analíticas y las técnicas de exploración de lugares inhóspitos, se ampliarán nuevos campos de investigación y posibles aplicaciones sorprendentes relacionadas con las arqueas. 6. BIBLIOGRAFIA • Alquéres SM, Almeida RV, Clementino MM, Vieira RP, Almeida WI, Cardoso AM et al. Exploring the biotechnologial applications in the archaeal domain. Braz J Microbiol. 2007;38(3):398-405. • Amoozegar MA, Siroosi M, Atashgahi S, Smidt H, Ventosa A. Systematics of haloarchaea and biotechnological potential of their hydrolytic enzymes. 2017; 163:623-645. • Botella HJ. Producción de halocina L8 y estudio de sus posibles aplicaciones biomédicas. Elche: Universidad Miguel Hernández; 2017. 32 • Cálcena E, Capello M. Condiciones de vida extrema: organismos que viven del metano. En: Goñi S y Lozano M, coordinadores. Leis et investigare: la bioquímica del estudiante. 5ª ed. Libro electrónico: Serie Digital; 2007. p.65-75. • Castelle CJ, Wrighton KC, Williams KH, Banfield JF. Genomic expansion of domain archaea highlights roles for organisms from new phyla in anaerobic carbon cycling. Current Biology. 2015;25:690-701. • Castro C. Interacción de una arquea termófila con la superficie mineral y su influencia en la biolixiviación de minerales. La Plata (Argentina): Universidad Nacional de la Plata; 2016. • Cavicchioli R. Archaea: molecular and cellular biology. 1ª ed. Washington, DC: ASM Press; 2006. • Delgado HP. Lípidos: de la estructura a la función en un contexto biológico. En: Muñoz V, coordinadora. Lecturas de apoyo para comprender mejor la química. 1ª ed. México: Prensas de ciencias; 2015. p.117-127. • Elshawadfy AM, Keith BJ, Ooi HE, Kinsman T, Heslop P, Connolly BA. DNA polymerase hybrids derived from the family-B enzymes of Pyrococcus furiosus and Thermococcus kodakarensis: improving performance in the polymerase chain reaction. Front Microbiol. 2014;5(224):1-14. • García JQ. Producción de metano en ambientes hipersalinos: diversidad microbiana, estructura y función de la comunidad de arqueas metanógenas. La Paz (California): Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste, S.C.; 2014. • Gómez P, Pérez M. Archaeabacterias hipertermófilas: vida en ebullición. RCCV. 2007;1(2):560-572. • González JC y Peña A. Estrategias de adaptación de microorganismos halófilos y Debaryomyces hansenii. Rev Latinoam Microbiol. 2002;44(3-4):137-156. • Hickman CP, Roberts LS, Larson A, I’Anson H, Eisenhour D. Principios integrales de zoología. 13ª ed. Madrid: McGraw-Hill; 2006. • Huber H, Hohn MJ, Stetter KO, Rachel R. The phylum Nanoarchaeota: Present knowledge and future perspectives of a unique form of life. Research in Microbiology. 2003;153(3):165-171. 33 • Johnson DB. Biomining-biotechnologies for extracting and recovering metals from ores and waste materials. Curr Opin Biotechnol. 2014;30:24-31. • Kutschera U. Ernst Haeckel's biodynamics 1866 and the occult basis of organic farming. Plant Signaling & Behavior. 2016;11(7):1-3. • Madigan MT, Martinko JM, Bender KS, Buckley DH, Stahl DA. Brock: biología de los microorganismos. 14ª ed. Madrid: Pearson; 2015. • Móra RR. La taxonomía del siglo XXI. Act SEM. 2009;48:18-24. • Nunoura T, Takaki Y, Kakuta J, Nishi S, Sugahara J, Kazama H et al. Insights into the evolution of Archaea and eukaryotic protein modifier systems revealed by the genome of a novel archaeal group. Nucleic Acids Res. 2011;39(8):3204-23. • Pérez MA. Microorganismos halófilos en ambientes salinos de Andalucía: Estudio taxonómico numérico y molecular. Granada: Universidad de Granada; 2014. • Ramírez N, Serrano JA, Sandoval H. Microorganismos extremófilos. Actinomicetos halófilos en México. Rev Mex Ciencias Farm. 2006;37(3):56-71. • Reyes-Martínez MA, Zavaleta AI. Bacteriorrodopsina: una molécula peculiar. Rev Inv UNMSM. 2005;8(1):48-58. • de la Haba RR, Sánchez-Porro C, Ventosa A. Capítulo 20: Dominio Archaea. En: Martín-González A, Bejar V, Gutierrez JC, Llagostera M y Quesada E, editores. Microbiología Esencial.. Editorial Panamericana; en prensa 2018 (pendiente publicación). • Sánchez-Santillán N, Sánchez-Trejo R, de la Lanza GE, Garduño R. Evolución del clima a través de la historia de la tierra. Rev Reflexiones. 2014;93(1):121-132. • Valenzuela-González F, Casillas-Hernández R, Villalpando E, Vargas-Albores F. El gen ARNr 16S en el estudio de comunidades microbianas marinas. Cienc mar. 2015;41(4):297-313. • Vargas TF y Villazante LG. Clasificación de los Microorganismos. Rev Act Clin Med. 2014;44:2309-2313. • https://www.youtube.com/watch?v=6SEULozjymQ • http://eluniversobajoelmicroscopio.blogspot.com.es/2013/12/domioarchaea.html 34 • http://julio-islandia.blogspot.com.es/2010/10/la-voz-solfatara-generalizadahoy-para.html