4.6: Archaea

Objetivos de

• Descreva as características únicas de cada categoria de Archaea
• Explique por que as arquéias podem não estar associadas a microbiomas ou patologias humanas
• Dê exemplos comuns de arquéias comumente associadas a habitats ambientais únicos

Como os organismos no domínio Bactérias, os organismos do domínio Archaea são todos organismos unicelulares. No entanto, as arquéias diferem estruturalmente das bactérias de várias maneiras significativas, conforme discutido em Características únicas das células procarióticas. Para resumir:

• A membrana celular arqueal é composta por ligações de éter com cadeias ramificadas de isopreno (em oposição à membrana celular bacteriana, que tem ligações ésteres com ácidos graxos não ramificados).
• As paredes celulares arqueais não possuem peptidoglicano, mas algumas contêm uma substância estruturalmente similar chamada pseudopeptidoglicano ou pseudomureína.
• Os genomas de Archaea são maiores e mais complexos do que os das bactérias.

O domínio Archaea é tão diverso quanto as bactérias do domínio, e seus representantes podem ser encontrados em qualquer habitat. Algumas arquéias são mesófilas e muitas são extremófilas, preferindo calor ou frio extremos, salinidade extrema ou outras condições hostis à maioria das outras formas de vida na Terra. Seu metabolismo é adaptado aos ambientes hostis e eles podem realizar metanogênese, por exemplo, o que bactérias e eucariotos não conseguem.

O tamanho e a complexidade do genoma arqueal dificultam a classificação. A maioria dos taxonomistas concorda que, dentro da Archaea, existem atualmente cinco filos principais: Crenarchaeota, Euryarchaeota, Korarchaeota, Nanoarchaeota e Thaumarchaeota. Provavelmente existem muitos outros grupos arqueais que ainda não foram sistematicamente estudados e classificados.

Com poucas exceções, as arquéias não estão presentes na microbiota humana e atualmente não se sabe que nenhuma esteja associada a doenças infecciosas em humanos, animais, plantas ou microrganismos. No entanto, muitos desempenham papéis importantes no meio ambiente e, portanto, podem ter um impacto indireto na saúde humana.

Crenarchaeota

Crenarchaeota é uma classe de Archaea extremamente diversa, contendo gêneros e espécies que diferem muito em sua morfologia e requisitos de crescimento. Todas as Crenarchaeota são organismos aquáticos e acredita-se que sejam os microrganismos mais abundantes nos oceanos. A maioria dos Crenarchaeota, mas não todos, são hipertermófilos; alguns deles (notavelmente, o gênero Pyrolobus) são capazes de crescer em temperaturas de até 113 °C. ¹

Archaea do gênero Sulfolobus (Figura\(\PageIndex{1}\)) são termófilos que preferem temperaturas em torno de 70—80°C e acidófilos que preferem um pH de 2—3. ² Sulfolobus pode viver em ambientes aeróbicos ou anaeróbicos. Na presença de oxigênio, as Sulfolobus spp. usam processos metabólicos semelhantes aos dos heterotróficos. Em ambientes anaeróbicos, eles oxidam o enxofre para produzir ácido sulfúrico, que é armazenado em grânulos. Sulfolobus spp. são usadas em biotecnologia para a produção de proteínas termoestáveis e resistentes a ácidos chamadas afitinas. ³ As afitinas podem ligar e neutralizar vários antígenos (moléculas encontradas em toxinas ou agentes infecciosos que provocam uma resposta imune do corpo).

Figura\(\PageIndex{1}\): Sulfolobus, um arqueão da classe Crenarchaeota, oxida o enxofre e armazena ácido sulfúrico em seus grânulos.

Outro gênero, Thermoproteus, é representado por organismos estritamente anaeróbicos com uma temperatura ideal de crescimento de 85 °C. Eles têm flagelos e, portanto, são móveis. O Thermoproteus tem uma membrana celular na qual os lipídios formam uma monocamada em vez de uma bicamada, o que é típico das arquéias. Seu metabolismo é autotrófico. Para sintetizar ATP, Thermoproteus spp. reduzem o enxofre ou o hidrogênio molecular e usam dióxido de carbono ou monóxido de carbono como fonte de carbono. Acredita-se que Thermoproteus seja o gênero mais ramificado de Archaea e, portanto, é um exemplo vivo de algumas das primeiras formas de vida do nosso planeta.

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Que tipos de ambientes a Crenarchaeota prefere?

Euryarchaeota

O filo Euryarchaeota inclui várias classes distintas. Espécies das classes Methanobacteria, Methanococci e Methanomicrobia representam Archaea que geralmente pode ser descrita como metanógenos. Os metanógenos são únicos porque podem reduzir o dióxido de carbono na presença de hidrogênio, produzindo metano. Eles podem viver nos ambientes mais extremos e se reproduzir em temperaturas que variam de abaixo de zero a ebulição. Metanógenos foram encontrados em fontes termais e também nas profundezas do gelo na Groenlândia. Alguns cientistas até levantaram a hipótese de que os metanógenos podem habitar o planeta Marte porque a mistura de gases produzidos pelos metanógenos se assemelha à composição da atmosfera marciana. ⁴

Acredita-se que os metanógenos contribuam para a formação de sedimentos anóxicos ao produzir sulfeto de hidrogênio, produzindo “gás de pântano”. Eles também produzem gases em ruminantes e humanos. Alguns gêneros de metanógenos, notavelmente Methanosarcina, podem crescer e produzir metano na presença de oxigênio, embora a grande maioria sejam anaeróbios estritos.

A classe Halobacteria (que foi nomeada antes que os cientistas reconhecessem a distinção entre Archaea e Bactérias) inclui arquéias halofílicas (“amantes do sal”). As halobactérias requerem concentrações muito altas de cloreto de sódio em seu ambiente aquático. A concentração necessária está próxima da saturação, em 36%; esses ambientes incluem o Mar Morto, bem como alguns lagos salgados na Antártica e no centro-sul da Ásia. Uma característica marcante desses organismos é que eles realizam a fotossíntese usando a proteína bacteriorodopsina, que lhes dá, e aos corpos d'água que habitam, uma bela cor roxa (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): As halobactérias que crescem nesses tanques de sal lhes conferem uma cor roxa distinta. (crédito: modificação da obra de Tony Hisgett)

Espécies notáveis de halobactérias incluem Halobacterium salinarum, que pode ser o organismo vivo mais antigo da Terra; cientistas isolaram seu DNA de fósseis com 250 milhões de anos. ⁵ Outra espécie, Haloferax volcanii, mostra um sistema muito sofisticado de troca iônica, que permite equilibrar a concentração de sais em altas temperaturas

Exercício\(\PageIndex{2}\)

Onde vivem as halobactérias?

Encontrando uma ligação entre a Archaea e a doença

Não se sabe que as arquéias causam nenhuma doença em humanos, animais, plantas, bactérias ou em outras arquéias. Embora isso faça sentido para os extremófilos, nem todas as arquéias vivem em ambientes extremos. Muitos gêneros e espécies de Archaea são mesófilos, então eles podem viver em microbiomas humanos e animais, embora raramente o façam. Como aprendemos, alguns metanógenos existem no trato gastrointestinal humano. No entanto, não temos evidências confiáveis que apontem qualquer arqueano como agente causador de qualquer doença humana.

Ainda assim, cientistas tentaram encontrar ligações entre doenças humanas e arquéias. Por exemplo, em 2004, Lepp et al. apresentaram evidências de que um arqueano chamado Methanobrevibacter oralis habita as gengivas de pacientes com doença periodontal. Os autores sugeriram que a atividade desses metanógenos causa a doença. ⁶ No entanto, foi posteriormente demonstrado que não havia relação causal entre M. oralis e periodontite. Parece mais provável que a doença periodontal cause um aumento das regiões anaeróbicas na boca que são posteriormente povoadas por M. oralis. ⁷

Ainda não há uma boa resposta sobre por que as arquéias não parecem ser patogênicas, mas os cientistas continuam especulando e esperando encontrar a resposta.

Resumo

• As arquéias são microrganismos procarióticos unicelulares que diferem das bactérias em sua genética, bioquímica e ecologia.
• Algumas arquéias são extremófilas, vivendo em ambientes com temperaturas extremamente altas ou baixas ou salinidade extrema.
• Sabe-se que apenas arquéias produzem metano. As arquéias produtoras de metano são chamadas de metanógenos.
• As arquéias halofílicas preferem uma concentração de sal próxima à saturação e realizam a fotossíntese usando bacteriorodopsina.
• Algumas arquéias, baseadas em evidências fósseis, estão entre os organismos mais antigos da Terra.
• As arquéias não vivem em grande número em microbiomas humanos e não são conhecidas por causarem doenças.

Notas de pé

1. E. Blochl et al. “Pyrolobus fumani, gen. e sp. nov., representa um novo grupo de Archaea, estendendo o limite superior de temperatura de vida para 113 ^° C.” Extremófilos 1 (1997) :14—21.
2. T.D. Brock e cols.. “Sulfolobus: um novo gênero de bactérias oxidantes de enxofre que vivem em baixo pH e alta temperatura.” Archiv für Mikrobiologie 84 no. 1 (1972) :54—68.
3. S. Pacheco et al. “Transferência de afinidade para a proteína sac7d extremofílica arqueal por inserção de um CDR.” Projeto e Seleção de Engenharia de Proteínas 27 no. 10 (2014) :431-438.
4. R.R. Britt “Crater Critters: Onde os micróbios de Marte podem se esconder”. www.space.com/1880-crater-cri... obes-lurk.html. Acessado em 7 de abril de 2015.
5. H. Vreeland et al. “Análises de ácidos graxos e DA da bactéria permiana isolada de cristais de sal antigos revelam diferenças com seus parentes modernos.” Extremófilos 10 (2006) :71—78.
6. P.W. Lepp e cols.. “Arqueias metanogênicas e doenças gengivais humanas”. Anais das Academias Nacionais de Ciências dos Estados Unidos da América 101 no. 16 (2004) :6176—6181.
7. R.I. Aminov. “Papel da Archaea na doença humana”. Fronteiras em microbiologia celular e de infecções 3 (2013) :42.