DOMAIN ARCHAEA: ASAL, KARAKTERISTIK, KLASIFIKASI, NUTRISI - BIOLOGI - 2025

The archaea domain atau archaea kerajaan merupakan salah satu dari tiga domain kehidupan. Ini terdiri dari organisme prokariotik uniseluler mikroskopis yang sangat mirip dan pada saat yang sama sangat berbeda dari bakteri dan eukariota dalam banyak hal.

Keberadaan kelompok ini telah dibuktikan beberapa waktu yang lalu, kurang lebih pada akhir tahun 1970-an, oleh sekelompok peneliti yang dipimpin oleh Carl Woese, yang menganggap bahwa kehidupan dapat dibagi menjadi eukariota dan dua jenis organisme prokariotik: bakteri dan archaea, juga disebut archaebacteria.

Mata air panas "Morning Glory" di Taman Nasional Yellowstone, AS, yang warnanya diberikan oleh archaea (Sumber: ZYjacklin via Wikimedia Commons) Studi oleh Woese dan kolaborator didasarkan pada analisis filogenetik komparatif antara sekuens RNA ribosom dari semua makhluk hidup, dan gagasan tentang tiga domain tetap dipertahankan, meskipun jumlah urutan yang sangat besar terus ditambahkan ke katalog RNA ribosom (database).

Studi-studi ini berhasil melihat sekilas kemungkinan bahwa archaea adalah kelompok saudara eukariota, meskipun kesamaan mereka dengan rekan prokariotik mereka (bakteri), sehingga mereka dapat mewakili "hubungan yang hilang" antara prokariota dan eukariota.

Meskipun hanya sedikit yang berdedikasi untuk mempelajari archaea dan kelompok ini diabaikan oleh banyak siswa biologi, diyakini bahwa mikroorganisme ini mewakili lebih dari 20% dari semua prokariota yang ada di perairan samudera, antara 1 dan 1 5% di tanah, dan kelompok yang paling dominan di sedimen laut dan habitat panas bumi.

Selain itu, archaea dicirikan dengan hidup dalam kondisi "ekstrim" seperti mata air panas, garam, lingkungan dengan suhu yang sangat tinggi dan pH yang sangat asam, tempat yang tidak bersahabat di mana konsentrasi oksigen sangat rendah atau nol, dll.

Mikroorganisme ini sangat penting secara ekologis karena mereka berpartisipasi dalam banyak siklus biogeokimia, misalnya, berkontribusi pada siklus karbon, nitrogen, dan sulfur.

Asal evolusioner dan hubungan filogenetik

Ada tiga teori tentang kemungkinan asal-usul tiga domain kehidupan yang dikemukakan oleh Woese dan rekan:

1. Bakteri pertama kali menyimpang, membentuk garis keturunan yang menghasilkan archaea dan eukariota.
2. Silsilah "proto-eukariotik" yang menyimpang dari garis keturunan yang sepenuhnya prokariotik (yaitu bakteri dan archaea)
3. Archaea menyimpang dari garis keturunan yang kemudian memunculkan eukariota dan bakteri

Pada tahun 1989, dua peneliti, Gogarten dan Iwabe, secara independen mengusulkan cara untuk menganalisis semua organisme hidup secara filogenetik (yang tidak mungkin dilakukan dari studi sekuens gen tunggal).

Iwabe menggunakan analisis urutan gen yang dihasilkan pada peristiwa "awal" duplikasi gen, "rooting" pohon kehidupan dari perbandingan urutan gen paralogue yang menyandikan faktor elongasi.

Faktor elongasi adalah protein pengikat GTP yang berpartisipasi dalam translasi, khususnya dalam pengikatan molekul RNA transfer amyoacylated ke ribosom dan translokasi RNA transfer peptidil.

Berdasarkan hasil perbandingan sekuens ketiga kelompok tersebut, gen yang mengkode faktor elongasi pada archaea lebih mirip dengan organisme eukariotik dibandingkan dengan gen bakteri.

Pohon kehidupan (Sumber: File: Collapsed tree labels simplified.png Pengunggah aslinya adalah TimVickers di Wikipedia bahasa Inggris. Terjemahan ke galician oleh Elisardojm melalui Wikimedia Commons) Gogarten, di sisi lain, membandingkan urutan gen lain yang dihasilkan oleh peristiwa duplikasi, khususnya yang mengkode subunit tipe-V dan tipe-F dari enzim ATPase yang masing-masing ditemukan pada archaea / eukariota dan bakteri.

Hasil yang diperoleh Gogarten, seperti yang disebutkan di atas, menunjukkan bahwa gen-gen ini pada archaea (yang mungkin muncul dari peristiwa duplikasi genetik) lebih dekat hubungannya dengan eukariota daripada rekan bakterinya.

Argumen ini juga didukung oleh analisis yang dilakukan oleh peneliti lain beberapa tahun kemudian, yang menggunakan urutan dari keluarga lain gen duplikat, yaitu RNA transfer sintetase aminoasil, memperkuat konsepsi "kedekatan" antara archaea dan eukariota.

Pohon Woese

Pohon Kehidupan Woese

Woese menggunakan analisis yang dilakukan oleh Gogarten dan Iwabe dan penelitian lain yang berkaitan dengan urutan RNA ribosom untuk mengajukan "versi" pohon kehidupan, di mana menjadi jelas bahwa archaea dan eukariota merupakan kelompok "saudara", terpisah dari satu sama lain. bakteri meskipun urutan RNA ribosom antara archaea dan bakteri lebih mirip satu sama lain.

Karakteristik umum domain archaea

Archaea dikenal untuk beberapa karakteristik yang sangat khusus (mereka sendiri) dan juga untuk menghadirkan "kombinasi" dari karakteristik yang pernah dianggap eksklusif untuk bakteri atau organisme eukariotik.

- Seperti halnya bakteri, archaea adalah organisme prokariotik , yaitu di dalam materi genetik tidak dilapisi oleh membran (mereka tidak memiliki inti) dan tidak ada organel sitoplasma membranosa.

- Umumnya merupakan mikroorganisme yang ukurannya hampir sama dengan bakteri, DNA-nya berupa kromosom melingkar dan beberapa fragmen melingkar yang lebih kecil yang disebut dengan plasmid .

- Mereka berbagi keberadaan enzim topoisomerase dan gyrase yang mirip dengan bakteri, yang merupakan bukti "tidak langsung" dari "kedekatan" dalam hal struktur kromosom dari kedua kelompok organisme.

- Namun, gen archaea menunjukkan homologi yang hebat dengan banyak gen eukariotik, terutama yang penemuannya berasal dari studi dengan antibiotik.

- Mesin untuk replikasi , transkripsi dan translasi eukariota dan archaea sangat mirip, terutama yang berkaitan dengan enzim DNA polimerase.

- Gen mereka yang mengkode protein tidak memiliki intron (tetapi yang lain memilikinya), sebaliknya gen eukariotik. Selanjutnya, archaea memiliki protein seperti histon yang terkait dengan DNA mereka, ada pada eukariota dan tidak ada pada bakteri.

- Mereka dicirikan oleh adanya isoprenil eter-lipid dalam membran selnya, serta dengan tidak adanya lipid asil-ester dan sintetase asam lemak.

- Salah satu subunit enzim RNA polimerase-nya terbagi dan RNA kurirnya, seperti pada bakteri, tidak memiliki "tudung" (dari bahasa Inggris cap) di ujung 5 'mereka.

- Mereka memiliki rentang kepekaan yang sangat spesifik terhadap antibiotik dan memiliki enzim restriksi tipe II yang sangat mirip dengan yang telah dijelaskan untuk bakteri.

- Karakteristik penting lainnya berkaitan dengan fakta bahwa sebagian besar archaea memiliki dinding sel , tetapi tidak seperti bakteri, dinding ini tidak terdiri dari peptidoglikan.

Karakteristik lipid membrannya

Lipid membran archaea sangat berbeda dari yang ditemukan pada bakteri dan organisme eukariotik, dan ini dianggap sebagai karakteristik diferensial yang sangat penting.

Perbedaan utama antara molekul amphipathic ini (dengan ujung kutub hidrofilik dan satu apolar hidrofobik) adalah bahwa ikatan antara bagian gliserol dan rantai asam lemak di lipid archaea melalui ikatan eter, sedangkan di bakteri dan eukariota berhubungan dengan ikatan ester.

Perbedaan penting lainnya adalah bahwa archaea memiliki lipid dengan asam lemak yang ditandai dengan adanya rantai isoprenil bercabang tinggi dengan gugus metil, sedangkan eukariota dan bakteri sebagian besar memiliki asam lemak rantai tidak bercabang.

Lipid eukariota dan bakteri "dibangun" di atas tulang punggung gliserol di mana rantai asam lemak diesterifikasi pada posisi yang sesuai dengan atom karbon 1 dan 2, tetapi pada archaea gliserol eter mengandung asam berlemak di posisi 2 dan 3.

Perbedaan lain sehubungan dengan lipid membran berkaitan dengan jalur biosintesisnya, karena beberapa enzim juga berbeda pada archaea.

Misalnya, beberapa spesies archaea memiliki enzim prenyl transferase bifungsional, yang bertanggung jawab untuk menyediakan prekursor baik untuk sintesis squalene maupun untuk sintesis isoprenoid gliseril-lipid. Pada bakteri dan eukariota, fungsi ini dilakukan oleh enzim terpisah.

Klasifikasi archaea

Menurut data urutan subunit kecil RNA ribosom archaea, kelompok ini telah dibagi menjadi dua "filum", yang dikenal sebagai filum Crenarchaeota dan filum Euryarchaeota, yang anggotanya adalah, di atas. semuanya, archaea ditanam secara in vitro.

Namun, banyak archaea yang baru-baru ini dijelaskan belum dibudidayakan secara in vitro dan hanya terkait jauh dengan urutan yang telah diisolasi dari spesies yang dipelihara di laboratorium.

Filum Crenarchaeota

Kelompok ini terutama dibentuk oleh spesies archaea hyperthermophilic dan thermoacidophilic, yaitu genus archaea yang menghuni lingkungan yang tidak ramah dengan kondisi suhu dan pH yang ekstrim.

Ini terdiri dari satu kelas taksonomi, yang dikenal sebagai Thermoprotei, yang di dalamnya terdapat lima ordo taksonomi berikut: Acidilobales, Desulfurococcales, Fervidicoccales, Sulfolobales dan Thermoproteales.

Contoh dari beberapa marga yang termasuk dalam kelas-kelas tersebut adalah marga Sulfolobus, Desulforococcus, Pyrodictium, Thermoproteus dan Thermofilum.

Filum Euryarchaeota

Anggota kelompok ini memiliki jangkauan ekologi yang sedikit lebih luas, dapat ditemukan di dalamnya beberapa spesies metanogenik hipertermofilik, metanogenik, halofilik dan bahkan termofilik, denitrifikasi archaea, reduksi sulfur, pengoksidasi besi dan beberapa organotrof.

Kelas taksonomi yang dijelaskan untuk Euriarcheotes ada delapan dan dikenal sebagai Methanopyri, Methanococci, Methanobacteria, Methanomicrobia, Archaeglobi, Halobacteria, Thermococci dan Thermoplasmata.

Banyak archaea yang termasuk dalam kelompok ini tersebar luas, ditemukan di tanah, sedimen, dan perairan laut, serta di lingkungan ekstrem yang dijelaskan.

Filum Thaumarchaeota

Filum ini didefinisikan relatif baru-baru ini dan sangat sedikit spesies yang dimilikinya telah dibudidayakan secara in vitro, sehingga sedikit yang diketahui tentang organisme ini.

Semua anggota filum memperoleh energinya dari oksidasi amonia dan didistribusikan secara global di badan air tawar, tanah, sedimen, dan air panas.

Phyla Korarchaeota , Aigarchaeota dan Goarchaeota

Beberapa peneliti ahli di bidangnya, berdasarkan analisis urutan genom, baru-baru ini menentukan keberadaan tiga filum tambahan di kerajaan Archaea, meskipun spesies yang diusulkan untuk filum ini belum diisolasi di laboratorium.

Secara umum, anggota filum ini telah ditemukan di bawah permukaan banyak ekosistem darat dan laut, tetapi juga di mata air panas dan sistem hidrotermal laut dalam.

Nutrisi

Sebagian besar spesies archaea dengan organisme kemotrofik, yaitu, mereka mampu menggunakan senyawa anorganik yang sangat berkurang untuk mendapatkan energi yang mereka butuhkan untuk "menggerakkan" mesin metabolisme mereka, terutama yang berkaitan dengan respirasi.

"Kekhususan" untuk molekul anorganik yang mereka gunakan sebagai substrat untuk menghasilkan energi bergantung pada lingkungan di mana setiap spesies tertentu berkembang.

Archaea lain, serta tumbuhan, alga, lumut dan cyanobacteria, mampu melakukan fotosintesis, yaitu menggunakan dan mengubah energi cahaya dari sinar matahari menjadi energi kimia yang dapat digunakan.

Beberapa archaea telah terbukti menghuni perut (rumen) beberapa hewan ruminansia (di antaranya adalah sapi, domba, kambing, dll.), Itulah mengapa ini diklasifikasikan sebagai "archaea mutualistik", karena mereka memakannya. bagian dari serat yang dimakan hewan ini dan bekerja sama dengan pencernaan beberapa komponennya.

Reproduksi

Seperti bakteri, archaea adalah organisme bersel tunggal yang reproduksinya secara eksklusif aseksual. Mekanisme utama yang dijelaskan dari spesies yang dipelihara secara in vitro adalah:

- Pembelahan biner, di mana setiap lengkungan "dibagi" menjadi dua untuk membuat dua sel yang identik

- Tunas atau "fragmentasi", di mana sel melepaskan "fragmen" atau "bagian" dari dirinya sendiri yang mampu membentuk sel baru yang identik secara genetik.

Habitat

Archaea terutama terkait dengan lingkungan "ekstrim", yaitu tempat-tempat alami yang memberlakukan batasan serius bagi perkembangan normal makhluk hidup, terutama dalam hal suhu, pH, salinitas, anaerobiosis (tidak adanya oksigen), dll. ; Itulah sebabnya studi mereka sangat menarik, karena mereka memiliki adaptasi yang unik.

Namun, teknik analisis molekuler terbaru untuk identifikasi spesies mikroorganisme non-budidaya (diisolasi dan disimpan secara in vitro di laboratorium) telah memungkinkan untuk mendeteksi keberadaan archaea di lingkungan sehari-hari seperti tanah, rumen beberapa hewan, air laut dan danau, antara lain.

Namun, sebagian besar archaea yang telah diidentifikasi di alam diklasifikasikan menurut habitat yang mereka tempati, istilah "hyperthermophiles", "acidophiles" dan "extreme thermoacidophiles", "extreme halophiles" sudah tidak asing lagi dalam literatur. dan "metanogen".

Lingkungan yang ditempati oleh arkea hipertermofilik adalah lingkungan yang dicirikan oleh suhu konstan yang sangat tinggi (jauh di atas suhu "normal" yang dialami sebagian besar makhluk hidup).

Sebaliknya, lingkungan tempat tinggal acidophiles ekstrim adalah lingkungan dengan pH sangat rendah dan ini juga dapat dibedakan dengan suhu tinggi (termoasidofil ekstrim), sedangkan lingkungan halofil ekstrim adalah lingkungan yang konsentrasi garamnya sangat tinggi. .

Arkea metanogenik hidup tanpa oksigen atau anaerobiosis, di lingkungan di mana mereka dapat menggunakan molekul lain sebagai akseptor elektron dalam metabolisme mereka dan mampu menghasilkan metana sebagai produk "limbah" metabolik.

Contoh spesies archaea

Ada banyak spesies archaea yang diketahui, tetapi hanya sedikit yang akan disebutkan di sini.

Ignicoccus hospitalis dan Nanoarchaeum equitans

I. hospitalis termasuk dalam genus crenachea yang dikenal sebagai Ignicoccus dan merupakan organisme chemolytoautotrophic yang menggunakan hidrogen molekuler sebagai donor elektron untuk reduksi sulfur. Spesies ini memiliki genom terkecil dari semua archaea yang dijelaskan secara in vitro sejauh ini.

I. hospitalis berperilaku seperti "parasit" atau "simbion" dari spesies lain: Nanoarchaeum equitans. Yang terakhir belum dibiakkan secara in vitro dan genomnya adalah yang terkecil dari semua archaea tak berbudaya yang telah dijelaskan.

Ia hidup terutama di lingkungan laut dan tidak memiliki gen untuk lipid, asam amino, nukleotida atau biosintesis kofaktor, jadi bukti eksperimental menunjukkan bahwa ia memperoleh molekul ini berkat interaksinya dengan I. hospitalis.

Acidilobus saccharovorans

Ini adalah spesies archaea anaerob termoasidofilik, yaitu, ia hidup di lingkungan yang buruk atau sama sekali tidak memiliki oksigen, dengan suhu tinggi dan pH yang sangat rendah. Ini pertama kali ditemukan di badan mata air panas di Kamchatka.

Staphylothermus hellenicus

Archa ini milik tepi Crenarqueotas, khususnya ordo Desulfurococcales. Ini adalah archaea heterotrofik hipertermofilik (ia hidup di lingkungan yang sangat panas) dan membutuhkan belerang untuk energi.

Referensi

1. Belfort, M., & Weiner, A. (1997). Jembatan lain antara kerajaan: penyambungan tRNA di archaea dan eukariota. Sel, 89 (7), 1003-1006.
2. Berg, IA, Kockelkorn, D., Ramos-Vera, WH, Say, RF, Zarzycki, J., Hügler, M.,… & Fuchs, G. (2010). Fiksasi karbon autotrofik di archaea. Ulasan Alam Mikrobiologi, 8 (6), 447.
3. Brown, JR, & Doolittle, WF (1997). Archaea dan transisi prokariota-ke-eukariota. Mikrobiol. Mol. Berbagai Rev., 61 (4), 456-502.
4. Chaban, B., Ng, SY, & Jarrell, KF (2006). Habitat archaea-dari yang ekstrim sampai yang biasa. Jurnal mikrobiologi Kanada, 52 (2), 73-116.
5. Gambacorta, A., Trincone, A., Nicolaus, B., Lama, L., & De Rosa, M. (1993). Fitur unik lipid Archaea. Mikrobiologi Sistematis dan Terapan, 16 (4), 518-527.
6. Junglas, B., Briegel, A., Burghardt, T., Walther, P., Wirth, R., Huber, H., & Rachel, R. (2008). Ignicoccus hospitalis dan Nanoarchaeum equitans: ultrastruktur, interaksi sel-sel, dan rekonstruksi 3D dari bagian serial sel tersubstitusi beku dan dengan cryotomography elektron. Arsip mikrobiologi, 190 (3), 395–408.
7. Klenk, HP, & Göker, M. (2010). Dalam perjalanan ke klasifikasi berbasis genom dari Archaea dan Bakteri? Mikrobiologi sistematis dan terapan, 33 (4), 175-182.
8. Offre, P., Spang, A., & Schleper, C. (2013). Archaea dalam siklus biogeokimia. Review Tahunan Mikrobiologi, 67, 437-457.
9. Winker, S., & Woese, CR (1991). Definisi domain Archaea, Bakteri dan Eucarya dalam hal karakteristik RNA ribosom subunit kecil. Mikrobiologi Sistematis dan Terapan, 14 (4), 305-310.
10. Wu, D., Hugenholtz, P., Mavromatis, K., Pukall, R., Dalin, E., Ivanova, NN,… & Hooper, SD (2009). Sebuah ensiklopedi genomik yang digerakkan oleh filogeni dari Bakteri dan Archaea. Alam, 462 (7276), 1056.