Archaea:Archaea:Bactérias pré-históricas?Bactérias pré-históricas?

Prof. Fabricio Rochedo Conceiçãofabricio.rochedo@ufpel.edu.br

20 de março de 2012

Graduação em BiotecnologiaDisciplina de Biotecnologia Microbiana II

Grupo heterogêneo de microrganismos procarióticos que

podem ser caracterizados, em sua maioria, como habitantes de

ambientes inóspitos, geralmente crescendo em condições

consideradas até então como extremas e limítrofes para a vida.

DEFINIÇÃODEFINIÇÃODEFINIÇÃODEFINIÇÃO

Lago hipersalino no Egito, rico em carbonato de sódio. O pH destas águas

encontra-se na faixa de 10, sendo habitado por archaea halófilas extremas,

tais como Halobacterium salinarum

Pilha de refugo da mineração de carvão, que muitas vezes sofre auto-combustão. Hábitat da

archaea Thermoplasma

Antartida

Literatura CientíficaLiteratura CientíficaLiteratura CientíficaLiteratura Científica

Por volta da década de 70, vários organismos procarióticos

foram isolados a partir de uma série de ambientes considerados

inóspitos, quase que incompatíveis com a presença de seres vivos.

Temperaturas elevadas (próximas a 100ºC)

Extrema acidez ou alcalinidade (pH 2 e 10)

Altas salinidades (até 32%, 5,5 M NaCl)

*** Salinidade média de oceanos é cerca de 3,5%.

Geralmente ausência completa de oxigênio (anaerobiose)

HISTÓRICOHISTÓRICOHISTÓRICOHISTÓRICO

Estes ambientes inóspitos correspondem às possíveis condições encontradas na Terra primitiva

Células primitivas, "fósseis vivos", representando as formas de vida ancestrais das bactérias modernas

Por isso estes microrganismos foram denominados "arqueobactérias"

ETIMOLOGIAETIMOLOGIAETIMOLOGIAETIMOLOGIA

?

Carl Woese e colaboradores (1977) realizaram estudos comparativos de sequências de rDNA 16S e 23S de diferentes organismos

FILOGENIAFILOGENIA

AO ANALISAR ESTA ÁRVORE FILOGENÉTICA, AS ARQUEOBACTÉRIAS ...

AO ANALISAR ESTA ÁRVORE FILOGENÉTICA, AS ARQUEOBACTÉRIAS ...

NÃO correspondem aos ancestrais das bactérias atuais, visto que sua possível origem ocorre quase que concomitantemente à origem das bactérias mais primitivas.

OCUPAM uma posição intermediária entre Bacteria e Eucarya, sugerindo que são organismos diferentes de bactérias e de células eucarióticas.

DE FATO, estudos genéticos e fisiológicos posteriores revelaram que tais organismos apresentam características de bactérias, de eucariotos, além de características exclusivas, não encontradas em qualquer outro domínio. Por esta razão, deixaram de ser denominadas "arqueobactérias", recebendo a denominação Archaea.

Enfim, as arqueas assemelham-se

ao domínio Bacteria na sua organização

estrutural e metabolismo, enquanto que o

seu sistema de informação genética é mais

parecido com o domínio Eukarya.

DOMÍNIO ARCHAEADOMÍNIO ARCHAEADOMÍNIO ARCHAEADOMÍNIO ARCHAEA

Ambientes inóspitos;

Ambientes aquáticos frios (podem corresponder a 34% da biomassa procariótica das águas costeiras superficiais da Antártida);

Sistema digestório do homem e outros animais;

Pântanos;

Aterros sanitários;

Tecidos vegetais;

Podem ser encontradas nos mais diversos ecossistemas. Não seria absurdo cogitar que no futuro sejam descobertas arqueas patogênicas para o homem e outros seres vivos.

HABITATSHABITATSHABITATSHABITATS

CLASSIFICAÇÃO FILOGENÉTICACLASSIFICAÇÃO FILOGENÉTICACLASSIFICAÇÃO FILOGENÉTICACLASSIFICAÇÃO FILOGENÉTICA

Três filos: Crenarchaeota, Euryarchaeota e Korarchaeota

CLASSIFICAÇÃO PRÁTICACLASSIFICAÇÃO PRÁTICACLASSIFICAÇÃO PRÁTICACLASSIFICAÇÃO PRÁTICA

ARCHAEAARCHAEAARCHAEAARCHAEA

ESTRUTURA CELULARESTRUTURA CELULARESTRUTURA CELULARESTRUTURA CELULAR

Podem ser esféricas, bacilares, espiraladas, achatadas, quadradas, discóides e muitas vezes de morfologia irregular ou pleomórficas

Suas dimensões são extremamente variáveis, de 0,1 a 15 µm, com alguns filamentosos atingindo 200 µm

Características especiais, que permitem seu desenvolvimento em uma vasta gama de ambientes

Parede celular

- composição e estrutura variáveis

- ausência de peptoglicano

- lisozima e penicilina não atuam

Membrana Citoplasmática: composição química e arranjo totalmente diferentes das membranas citoplasmáticas de quase todas as eubactérias e eucariotos.

Membrana Bacteria Archaea Eukarya

Conteúdo protéico

alto alto baixo

Composição lipídica

fosfolipídeos

sulfolipídeos, glicolipídeos,

hidrocarbonetos ramificados,

isoprenoides, fosfolipídeos

fosfolipídeos

Estrutura dos lipídeos

cadeia linear cadeia ramificada cadeia linear

Ligação dos lipídeos

ésterCH2-OCOR

éter (di e tetraeter)CH2-OR éster

Ligação éter

Isoprenos ramificados

Anéis de ciclopentano

Aumenta estabilidade

(resistência à hidrólise e elevadas temperaturas)

Enzimas termofílicas e termoestáveis

- Substituição de aa associados a conformação flexível (glicina, serina e alanina) por aa associados com rigidez (treonina, valina e prolina)

- Substituição de aa com grupamentos quimicamente ativos (cisteína, metionina e asparagina)

- Maior taxa de arginina:lisina, que promove interações polares fortes

- Imobilização dentro de uma matriz insolúvel

Cromossomo: único e circular como no domínio Bacteria. Por

outro lado, sua organização é semelhante aos eucariotos, uma vez

que o DNA está associado à histonas. Superenrolamento positivo,

enquanto em eucariotos é negativo

Presença de íntrons em genes de RNA de hipertermófilos e halófilos

Hipertermófilas com conteúdo G + C mais elevado

ARCHAEAARCHAEAARCHAEAARCHAEA

METABOLISMOMETABOLISMOMETABOLISMOMETABOLISMO

Quimioheterotróficas

Quimioautotróficas

Fermentação é rara. Ex: Hyperthermus butylicus

As arqueas metanogênicas apresentam vias bioquímicas raras, que através de sistemas enzimáticos únicos, produzem o gás metano (CH4)

Via glicolítica ausente nas arqueas

A glicose é catabolisada por uma via oxidativa simples

O ciclo de Krebs é reduzido

Estratégias de adaptação das arqueas aos Estratégias de adaptação das arqueas aos ambientes extremosambientes extremos

Estratégias de adaptação das arqueas aos Estratégias de adaptação das arqueas aos ambientes extremosambientes extremos

ARCHAEAARCHAEA E BIOTECNOLOGIAE BIOTECNOLOGIAARCHAEAARCHAEA E BIOTECNOLOGIAE BIOTECNOLOGIA

Produção de energia (biogás e álcool)

Produção de ácidos orgânicos, antibióticos, aa

Tratamento de efluentes

PCR

Enzimas “extremófilas”, biocatálise industrial

Polímeros biodegradáveis (PHB)

Mineração (cobre, ouro, urânio)

Plantas transgênicas (genes de halófilas) ...