Arqueobactérias Graduação em Biotecnologia 3/25/2017 Graduação em Biotecnologia Disciplina de Biotecnologia Microbiana II Arqueobactérias Prof. Fabricio Rochedo Conceição fabricio.rochedo@ufpel.edu.br 26 de junho de 2010

DEFINIÇÃO Compreendem um 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

HISTÓRICO *** Salinidade média de oceanos é cerca de 3,5%. 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%. Muitas vezes, ausência completa de oxigênio

Por isso estes microrganismos foram denominados "arqueobactérias" ETIMOLOGIA 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" ?

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

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.

DOMÍNIO ARCHAEA HABITATS 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; Metanogênicas endossimbiontes em protozoários; Podem ser encontradas nos mais diversos ecossistemas. Não seria absurdo cogitar que no futuro sejam descobertas archaea patogênicas para o homem e outros seres vivos.

CLASSIFICAÇÃO FILOGENÉTICA Três filos: Crenarchaeota, Euryarchaeota e Korarchaeota

Crenarchaeota é composto por organismos hipertermófilos, como Thermoproteus, Pyrolobus e Pyrodictium. São, em sua maioria, quimioautotróficos. Neste grupo há também organismos isolados (mas ainda não cultivados em laboratório) de ambientes frios, tais como águas oceânicas. Lagoa quente, rica em enxofre, que é convertido a ácido sulfúrico por espécies de archaea Sulfolobus, exemplo de uma archaea do filo Crenarchaeota, habitante da lagoa ilustrada ao lado

Thermoplasma, uma archaea desprovida de parede celular Euryarchaeota é um filo composto por dois grupos: metanogênicas, que são ANAERÓBIAS. Ex: Methanococcus, Methanobacterium e Methanosarcina halofílicas extremas, que são aeróbias. Ex: Halobacterium e Halococcus. Geralmente coram-se como Gram negativas, não apresentam esporos e, em sua maioria, são imóveis. Geralmente possuem grandes plasmídeos (25 a 30% do DNA da célula) 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 Thermoplasma, uma archaea desprovida de parede celular

Korarchaeota é composto quase que somente por isolados identificados a partir do sequenciamento de 16S rRNA, sendo considerado um grupo de hipertermófilos. Até o momento, poucos espécimes de Korarchaeota foram cultivados em laboratório

CLASSIFICAÇÃO PRÁTICA

ARCHAEA ESTRUTURA 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

Estrutura dos lipídeos 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 baixo Composição lipídica fosfolipídeos sulfolipídeos, glicolipídeos, hidrocarbonetos ramificados, isoprenoides, fosfolipídeos Estrutura dos lipídeos cadeia linear cadeia ramificada Ligação dos lipídeos éster CH2-OCOR éter (di e tetraeter) CH2-OR

Isoprenos ramificados Anéis de ciclopentano 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 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

Bacteria Archaea Eukarya Carioteca Não Sim Nucleossomos/histonas SIm   Bacteria Archaea Eukarya Carioteca Não Sim Nucleossomos/histonas SIm Operons/RNAm policistrônicos Introns proteína de ligação à TATA box Organelas Cromossomos Um, circular Mais que um, linear RNA polimerase Uma, simples Mais que uma, complexas Aminoácido de iniciação protéica N-formil metionina Metionina Sensibilidade da síntese de proteína à toxina diftérica Insensível Sensível Peptoglicano Síntese de proteína fatores de iniciação proteínas ribossômicas fatores de alongamento Archaea é mais semelhante à Eukarya do que à Bacteria

ARCHAEA METABOLISMO 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

ARCHAEA E 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) ...