Arqueobacteris: Grup de microorganismes unicel·lulars procariots

Els arqueobacteris, com els eubacteris, són procariotes que manquen de nucli cel·lular o qualsevol altre orgànul dins les cèl·lules. En el passat, se'ls considerà un grup inusual de bacteris, però com que tenen una història evolutiva independent i presenten moltes diferències en la seva bioquímica respecte a la resta de formes de vida, actualment se'ls classifica com un domini distint en el sistema de tres dominis. En aquest sistema, presentat per Carl Woese, les tres branques evolutives principals són els arqueobacteris, els bacteris i els eucariotes. Els arqueobacteris estan subdividits en quatre fílums, dels quals dos, els crenarqueots i els euriarqueots, són estudiats més intensivament. La classificació dels arqueobacteris roman dificultosa, car la immensa majoria d'aquests organismes no han sigut mai estudiats al laboratori i només se'ls ha detectat per mitjà de l'anàlisi dels seus àcids nucleics en mostres del medi ambient.

Arqueobacteris

Archaea
Dades
Mitjà de locomoció	rodolament
Descobridor o inventor	Carl Richard Woese i George Edward Fox
Període
Paleoarqueà - recent
Taxonomia
Domini	Archaea Woese, Kandler i Wheelis, 2024
Tipus taxonòmic	Methanobacterium
Nomenclatura
Sinònims	Archaebacteria Metabacteria Mendosicutes
Clades
DPANN Eukaryomorpha (P) Euryarchaeota TACK

En general, els arqueobacteris i bacteris són bastant semblants en forma i en mida, tot i que alguns arqueobacteris tenen formes molt inusuals, com ara les cèl·lules planes i quadrades de Haloquadra walsbyi. Malgrat aquesta semblança visual amb els bacteris, els arqueobacteris tenen gens i diverses rutes metabòliques que són més properes a les dels eucariotes; notablement, els enzims implicats en la transcripció i la traducció. Altres aspectes de la bioquímica dels arqueobacteris són únics, com ara els èters lípids de les seves membranes cel·lulars. Els arqueobacteris exploten una varietat de recursos molt més grans que els eucariotes; des de compostos orgànics familiars com ara els sucres, fins a l'ús d'amoníac, ions de metalls o fins i tot hidrogen com nutrients. Els arqueobacteris tolerants de la sal (els halobacteris) utilitzen la llum solar com font d'energia, i altres espècies d'arqueobacteris fixen carboni; tanmateix, a diferència de les plantes i els cianobacteris, no es coneix cap espècie d'arqueobacteri que sigui capaç d'ambdues coses. Els arqueobacteris es reprodueixen asexualment i es divideixen per fissió binària, fragmentació o gemmació; a diferència dels bacteris i els eucariotes, no es coneix cap espècie d'arqueobacteri que formi espores.

Originalment, els arqueobacteris eren vists com a extremòfils que vivien en ambients severs, com ara aigües termals i llacs salats, però posteriorment se'ls ha observat en una gran varietat d'hàbitats, com ara sòls, oceans i aiguamolls. Els arqueobacteris són especialment nombrosos als oceans, i els que es troben al plàncton podrien ser un dels grups d'organismes més abundants del planeta. Aquests procariotes són actualment considerats una part important de la vida a la Terra i podrien tenir un paper important tant en el cicle del carboni com en el cicle del nitrogen. No es coneixen exemples clars de patògens o paràsits arqueobacterians, però solen ser mutualistes o comensals. En són exemples els arqueobacteris metanògens que viuen a l'intestí dels humans i els remugants, on estan presents en grans quantitats i contribueixen a digerir l'aliment. Els arqueobacteris tenen la seva importància en la tecnologia; hi ha metanògens que són utilitzats per produir biogàs i com a part del procés de depuració, i els enzims d'arqueobacteris extremòfils capaços de resistir a temperatures elevades i solvents orgànics són explotats en la biotecnologia.

El 2012 es va demostrar per primera vegada, que els arqueobacteris són consumits per organismes vius, en concret per part de cucs poliquets dins la família dels dorvil·lèids. L'estudi es va publicar al Society for Microbial Ecology Journal, de la revista Nature.

Un nou domini

A principis del segle xx, els procariotes eren considerats un únic grup d'organismes i classificats segons la seva bioquímica, morfologia i metabolisme. Per exemple, els microbiòlegs intentaven classificar els microorganismes segons l'estructura de la seva paret cel·lular, la seva forma, i les substàncies que consumeixen. Tanmateix, el 1965 es proposà un nou sistema, utilitzant les seqüències genètiques d'aquests organismes per esbrinar quins procariotes estan realment relacionats entre ells. Aquest mètode, conegut com a filogènia, és el mètode principal utilitzat actualment.

 

Els arqueobacteris foren classificats per primer cop com un grup separat de procariotes el 1977 per Carl Woese i George E. Fox en arbres filogenètics basats en les seqüències de gens d'ARN ribosòmic (ARNr). Aquests dos grups foren originalment denominats arqueobacteris i eubacteris i tractats com regnes o subregnes, que Woese i Fox denominaren «regnes originals». Woese argumentà que aquest gup de procariotes és un tipus de vida fonamentalment distint. Per emfatitzar aquesta diferència, aquests dos dominis foren posteriorment anomenats Archaea i Eubacteria. El nom científic Archaea prové del grec antic ἀρχαῖα, que vol dir 'els antics'. El terme «arqueobacteri» prové de la combinació d'aquesta arrel i del terme grec baktērion, que significa 'bastonet'.

Originalment, només es classificaren els metanògens en aquest nou domini, i els arqueobacteris eren considerats extremòfils que només viuen en hàbitats com ara aigües termals i llacs salats. A finals del segle xx, els microbiòlegs s'adonaren que els arqueobacteris són un grup d'organismes gran i divers àmpliament distribuïts a la natura, i que són comuns en hàbitats molt menys extrems, com ara sòls i oceans. Aquesta nova presa de consciència de la importància i l'omnipresència vingué de l'ús de la reacció en cadena de la polimerasa per detectar procariotes en mostres d'aigua o sòl a partir únicament dels seus àcids nucleics. Això permet detectar i identificar organismes que no poden ser cultivats al laboratori, que sol ser difícil.

Classificació actual

La classificació dels arqueobacteris, i dels procariotes en general, és un camp en constant moviment i controvertit. Els sistemes actuals de classificació intenten organitzar els arqueobacteris en grups d'organismes que comparteixen trets estructurals i avantpassats comuns. Aquestes classificacions es basen significativament en l'ús de seqüències de gens d'ARN ribosòmic per revelar les relacions entre els organismes (filogenètica molecular). La majoria d'espècies d'arqueobacteris cultivables i ben investigades són membres de dos fílums principals, els euriarqueots i crenarqueots. S'han proposat temptativament altres grups. Per exemple, a la peculiar espècie Nanoarchaeum equitans, que fou descoberta el 2003, se li ha atribuït el seu propi fílum, el dels nanoarqueots. També s'ha proposat el nou fílum dels korarqueots, que conté un nombre reduït d'inusuals espècies termòfiles que comparteixen trets dels dos fílums principals, però que són més properes als crenarqueots. Altres espècies d'arqueobacteris recentment descobertes només tenen una relació distant amb qualsevol d'aquests grups, com ara els nanoorganismes arquobacterians acidòfils de Richmond Mine (ARMAN), descoberts el 2006.

 

La classificació dels arqueobacteris en espècies també és controvertida. En biologia, una espècie és un grup d'organismes relacionats. Una definició popular d'espècie entre els animals és un conjunt d'organismes que poden reproduir-se entre ells i que estan reproductivament aïllats d'altres grups d'organismes (és a dir, no poden reproduir-se amb altres espècies). Tanmateix, els esforços per classificar els procariotes tals com els arqueobacteris en espècies es compliquen pel fet que són asexuals i que presenten un alt nivell de transferència horitzontal de gens entre llinatges. Aquest tema és controvertit; per exemple, algunes dades suggereixen que en arqueobacteris com ara Ferroplasma, es poden agrupar cèl·lules individuals en poblacions de genoma molt similar i que rarament transfereixen gens a grups més divergents de cèl·lules. Alguns argumenten que aquests grups de cèl·lules són anàlegs a espècies. D'altra banda, estudis d'Halorubrum descobriren un intercanvi genètic significatiu entre aquestes poblacions. Aquests resultats han portat a pensar que classificar aquests grups d'organismes com espècies tindria poc sentit pràctic.

El coneixement actual sobre la diversitat dels arqueobacteris és fragmentari, i no es pot estimar amb cap mena de precisió el nombre total d'espècies d'arqueobacteris. Fins i tot les estimacions del nombre total de fílums arquobacterians varien entre 18 i 23, dels quals només vuit tenen representants que s'han cultivat i estudiat directament. Molts d'aquests grups hipotètics són coneguts únicament a partir d'una sola seqüència d'ARNr, cosa que indica que la diversitat d'aquests organismes roman completament desconeguda. El problema de com estudiar i classificar microbis no cultivats també es dona en els bacteris.

Els arqueobacteris són una forma de vida molt antiga. S'han datat fòssils probables d'aquestes cèl·lules de fa gairebé 3.500 milions d'anys, i s'han detectat restes de lípids que podrien ser arquobacterians o eucariotes en esquists de fa 2.700 milions d'anys. Com que la majoria de procariotes no tenen una morfologia característica, la forma dels fòssils no serveix per identificar-los com arqueobacteris. En canvi, fòssils químics, en forma dels lípids únics dels arqueobacteris, ofereixen més informació car aquests compostos no apareixen en altres grups d'organismes. Aquests lípids han sigut detectats en roques que daten del Precambrià. Les restes més antigues conegudes d'aquests lípids d'isoprè daten del cinturó d'Isua, a l'oest de Groenlàndia, que inclouen sediments formats fa 3.800 milions d'anys que són els més antics del món. L'origen dels arqueobacteris sembla extremament remot en el temps, i el llinatge arqueobacterià podria ser el més antic de la Terra.

 

Woese argumentà que els bacteris, arqueobacteris i eucariotes representen cadascun un llinatge evolutiu distint que divergí fa molts milions d'anys d'una colònia ancestral d'organismes. Tanmateix, alguns biòlegs han argumentat que els arqueobacteris i eucariotes sorgiren d'un grup de bacteris. Thomas Cavalier-Smith proposà el clade dels neomurs per representar aquesta teoria. Neomura vol dir 'parets noves' i es refereix a la teoria que els arqueobacteris i els eucariotes haurien derivat de bacteris que (entre altres adaptacions) havien substituït les parets de peptidoglicà per altres glicoproteïnes. És possible que l'últim avantpassat comú dels bacteris i els arqueobacteris fos un termòfil, cosa que presenta la possibilitat que les temperatures baixes siguin «ambients extrems» pels arqueobacteris, i que els organismes que viuen en ambients més freds apareguessin més tard en la història de la vida a la Terra. Com que els arqueobacteris i els bacteris no estan relacionats més estretament els uns amb els altres que amb els eucariotes, s'ha argumentat que el terme «procariota» no té un sentit evolutiu autèntic i que caldria descartar-lo completament.

La relació entre arqueobacteris i eucariotes roman un problema important. A part de les semblances en l'estructura i les funcions cel·lulars que es discuteixen més avall, molts arbres genètics agrupen els dos clades. Algunes de les primeres anàlisis fins i tot suggerien que la relació entre els eucariotes i el fílum arqueobacterià dels euriarqueots és més propera que la relació entre els euriarqueots i els crenarqueots. Tanmateix, actualment es considera més versemblant que l'avantpassat dels eucariotes divergís bastant aviat dels arqueobacteris. El descobriment de gens similars als dels arqueobacteris en alguns grups de bacteris, com ara Thermotoga maritima, fa que aquestes relacions siguin difícils de determinar, car ha tingut lloc una transferència horitzontal de gens. Alguns han suggerit que els eucariotes sorgiren de la fusió d'un arqueobacteri i un bacteri, que esdevingueren el nucli i el citoplasma; això explica diverses semblances genètiques però presenta dificultats a l'hora d'explicar l'estructura cel·lular.

Filogènesi

Les anàlisis filogenètiques recents han obtingut les següents relacions entre els grups de arqueobacteris.

 

La mida dels arqueobacteris varia entre 0,1 micròmetres (μm) i més de 15 μm de diàmetre, i existeixen en diverses formes, habitualment esferes, bastons, espirals o plaques. Altres morfologies dels crenarqueots inclouen cèl·lules lobulades de forma irregular en Sulfolubus, filaments prims semblants a agulles de menys d'un micròmetre de diàmetre en Thermofilum, i barres gairebé perfectament rectangulars a Thermoproteus i Pyrobaculum. Fins i tot existeix una espècie d'arqueobacteri plana i quadrada anomenada Haloquadra walsbyi, que viu en basses hipersalines. Aquestes formes inusuals són suportades probablement tant per les seves parets cel·lulars com per un citoesquelet procariota. En els arqueobacteris existeixen proteïnes relacionades amb els components del citoesquelet d'altres organismes, i es formen filament dins de les seves cèl·lules, però a diferència d'altres organismes, aquestes estructures cel·lulars no estan ben compreses en els arqueobacteris.

Algunes espècies d'arqueobacteris formen agregats o filaments de cèl·lules de fins a 200 μm de llargada, i aquests organismes poden ser membres prominents de les comunitats microbials que produeixen biofilms. N'és un exemple extrem Thermococcus coalescens, car agregats d'aquestes cèl·lules es fusionen en cultiu, formant cèl·lules úniques gegants. Una forma especialment elaborada de colònia pluricel·lular és la dels arqueobacteris del gènee Pyrodictium. Les seves cèl·lules produeixen agrupacions de llargs i prims tubs buits que reben el nom de cànules, que sobresurten de la superfície de les cèl·lules i les connecten en una densa colònia semblant a un arbust. Es desconeix la funció d'aquestes cànules, però podrien permetre a les cèl·lules comunicar-se o intercanviar nutrients amb les seves veïnes. També es poden formar colònies per associació entre espècies diferents. Per exemple, en una comunitat que fou descoberta el 2001 en un aiguamoll alemany, hi havia colònies blanques i rodones d'una nova espècie d'arqueobacteri del fílum dels euriarqueots escampades al llarg de filaments prims que poden mesurar fins a 15 cm de llarg; aquests filaments es componen d'una espècie particular de bacteris.

Els arqueobacteris són semblants als bacteris en la seva estructura cel·lular general, però la composició i organització d'algunes d'aquestes estructures diferencien els arqueobacteris. Com els bacteris, els arqueobacteris manquen de membranes interiors, de manera que les seves cèl·lules no contenen orgànuls. També s'assemblen als bacteris en què la seva membrana cel·lular està habitualment delimitada per una paret cel·lular i en què neden per mitjà d'un o més flagels. En la seva estructura general, els arqueobacteris s'assemblen especialment als bacteris grampositius, car la majoria tenen una única membrana plasmàtica i paret cel·lular, i manquen d'espai periplàsmatic; l'excepció d'aquesta regla general és l'arqueobacteri Ignicoccus, que té un espai periplasmàtic particularment gran que conté vesícules limitades per membranes, i que queda tancat per una membrana exterior.

Membrana cel·lular

 

Les membranes arqueobacterianes es componen de molècules que difereixen molt de les que es troben en altres formes de vida, cosa que és una prova que els arqueobacteris només tenen una relació distant amb els bacteris i eucariotes. En tots els organismes, les membranes cel·lulars es componen de molècules conegudes com a fosfolípids. Aquestes molècules tenen una part polar que es dissol en l'aigua (el "cap" de fosfats), i una part "greixosa" no polar que no es dissol en l'aigua (la «cua» de lípids). Aquestes parts diferents queden connectades per un grup glicerol. Dins l'aigua, els fosfolípids s'aglomeren, amb els caps de fosfats polars vers l'aigua i les cues lipídiques no polars lluny d'ella. Això fa que s'estructurin en capes. L'estructura principal de la membrana cel·lular és una doble capa d'aquests fosfolípids, que rep el nom de bicapa lipídica.

Els fosfolípids de les membranes arqueobacterianes són inusuals en quatre coses. Primerament, els bacteris tenen membranes compostes principalment de lípids èster amb glicerol, mentre que els arqueobacteris les tenen compostes de lípids èter amb glicerol. La diferència entre aquests dos tipus de fosfolípids és el tipus d'enllaç que uneix els lípids al grup glicerol; aquests dos tipus d'enllaç apareixen en groc a la imatge de la dreta. En els lípids èster hi ha un enllaç èster, mentre que en la resta de lípids hi ha un enllaç èter. Els enllaços èter tenen una resistència química superior a la dels enllaços èster, cosa que podria contribuir a la capacitat d'alguns arqueobacteris de sobreviure a temperatures extremes o en ambients molt àcids o alcalins. Els eubacteris i eucariotes també contenen alguns lípids èter, però a diferència dels arqueobacteris, aquests lípids no formen una part important de les seves membranes.

Segonament, els lípids arquobacterians són únics perquè l'estereoquímica del grup glicerol és la inversa que la que s'observa en altres organismes. El grup glicerol pot existir en dues formes que són la imatge inversa l'una de l'altra, i que es poden denominar formes dretana i esquerrana; en llenguatge químic se les anomena enantiòmers. De la mateixa manera que una mà dreta no entra fàcilment dins un guant per la mà esquerra, una molècula de glicerol dretana generalment no pot ser utilitzada o creada per enzims adaptats per la forma esquerrana. Això suggereix que els arqueobacteris utilitzen enzims completament diferents per sintetitzar els seus fosfolípids dels que utilitzen els bacteris i eucariotes; com que aquests enzims es desenvoluparen molt al principi de la història de la vida, això suggereix al seu torn que els arqueobacteris se separaren molt aviat dels altres dos dominis.

Tercerament, les cues lipídiques dels fosfolípids dels arqueobacteris tenen una composició química diferent de les d'altres organismes. Els lípids arquobacterians es basen en la cadena lateral isoprenoide i són llargues cadenes amb múltiples branques laterals i, a vegades, fins i tot anells de ciclopropà o ciclohexà. Això contrasta amb els àcids grassos que hi ha a les membranes d'altres organismes, que tenen cadenes rectes sense branques ni anells. Tot i que els isoprenoides tenen un paper important en la bioquímica de molts organismes, només els arqueobacteris els utilitzen per produir fosfolípids. Aquestes cadenes amb branques podrien ajudar a evitar que les membranes arqueobacterianes tinguin fuites a altes temperatures.

Finalment, en alguns arqueobacteris la bicapa lipídica és substituïda per una única monocapa. De fet, els arqueobacteris fusionen les cues de dues molècules fosfolipídiques independents en una única molècula amb dos caps polars; aquesta fusió podria fer la seva membrana més rígida i més apta per resistir ambients severs. Per exemple, tots els lípids de Ferroplasma són d'aquest tipus, cosa que es creu que ajuda aquest organisme a sobreviure en els medis extraordinàriament àcids en què habita.

Paret cel·lular i flagels

La majoria d'arqueobacteris tenen una paret cel·lular; les excepcions són Thermoplasma i Ferroplasma. En la majoria d'arqueobacteris, la paret es compon de proteïnes de capa de superfície, que formen una capa S. Una capa S és una agrupació rígida de molècules proteíniques que cobreixen l'exterior de la cèl·lula com una cota de malla. Aquesta capa ofereix una protecció química i física, i pot servir de barrera, impedint que entrin en contacte macromolècules amb la membrana cel·lular. A diferència dels bacteris, la majoria d'arqueobacteris no tenen peptidoglicà a la paret cel·lular. L'excepció és el pseudopeptidoglicà, que es troba en els metanobacterials, però aquest polímer és diferent del peptidoglicà bacterià, ja que manca de D-aminoàcids i àcid N-acetilmuràmic.

Els arqueobacteris també tenen flagels, que funcionen d'una manera semblant als flagels bacterians – són llargs palets moguts per motors rotatoris situats a la base dels flagels. Aquests motors són impulsats pel gradient de protons de la membrana. Tanmateix, els flagels arquobacterians són notablement diferents en la seva composició i el seu desenvolupament. Cada tipus de flagel evolucionà d'un avantpassat diferent; el flagel bacterià evolucionà d'un sistema de secreció de tipus III, mentre que els flagels arquobacterians semblen haver evolucionat dels pili bacterians de tipus IV. A diferència del flagel bacterià, que és un palet buit i que està format per subunitats que es mouen per la cavitat central i després s'afegeixen a la punta del flagel, els flagels arquobacterians se sintetitzen per mitjà de l'addició de subunitats a la seva base.

Els arqueobacteris presenten una gran varietat de reaccions químiques en el seu metabolisme, i utilitzen moltes fonts d'energia diferents. Aquestes formes de metabolisme es classifiquen en grups nuricionals, segons la font de l'energia i del carboni. Alguns arqueobacteris obtenen l'energia de composts inorgànics com ara el sofre o l'amoníac (són litòtrofs). Aquests arqueobacteris inclouen nitrificants, metanògens i oxidants anaeròbics de metà. En aquestes reaccions, un compost passa electrons a l'altre (en una reacció redox), alliberant energia que és utilitzada per alimentar les activitats de les cèl·lules. Un compost actua com donador d'electrons i l'altre com acceptor d'electrons. Una característica comuna de totes aquestes reaccions és que l'energia alliberada és utilitzada per generar trifosfat d'adenosina (ATP) per mitjà de la quimiosmosi, que és el mateix procés bàsic que té lloc als mitocondris de les cèl·lules animals.

Altres grups d'arqueobacteris utilitzen la llum solar com font d'energia (són fotòtrofs). Tanmateix, cap d'aquests organismes no presenta una fotosíntesi generadora d'oxigen. Moltes de les rutes metabòliques bàsiques són compartides per totes les formes de vida; per exemple, els arqueobacteris utilitzen una forma modificada de la glicòlisi (la via Entner-Doudoroff), i un cicle de Krebs complet o parcial. Aquestes semblances amb la resta d'organismes probablement reflecteixen tant l'evolució primerenca d'aquestes parts del metabolisme en la història de la vida, com el seu alt nivell d'eficiència.

Alguns euriarqueots són metanògens i produeixen gas metà en ambients anaeròbics com ara aiguamolls. Aquest tipus de metabolisme evolucionà aviat, i fins i tot és possible que el primer organisme de vida lliure fos un metanogen. Una reacció típica d'aquests organismes implica l'ús de diòxid de carboni com receptor d'electrons per oxiditzar hidrogen. La metanogènesi implica una varietat de coenzims que són únics a aquests arqueobacteris, com ara el coenzim M o el metanofuran. Altres compostos orgànics com ara alcohols, àcid acètic o àcid fòrmic són utilitzats com acceptors d'electrons pels metanògens. Aquestes reaccions són habituals en els arqueobacteris intestinals. L'àcid acètic també és descompost en metà i diòxid de carboni directament, pels arqueobacteris acetòtrofs. Aquests acetòtrofs són arqueobacteris de l'ordre dels metanosarcinals, i són una part important de les comunitats de microorganismes productores de biogàs.

 

Altres arqueobacteris utilitzen el CO₂ de l'atmosfera com font de carboni, en un procés anomenat fixació del carboni (són autòtrofs). En els arqueobacteris, aquest procés implica o bé una forma molt modificada del cicle de Calvin, o una ruta metabòlica recentment descoberta coneguda com a cicle del 3-hidroxipropionat/4-hidroxibutirat. Els crenarqueots també utilitzen el cicle de Krebs invers i els euriarqueots també utilitzen la via reductora acetil-CoA. En aquests organismes, la fixació del carboni és alimentada per fonts inorgàniques d'energia, en lloc de ser alimentada per la llum solar com és el cas en les plantes i cianobacteris. No es coneixen arqueobacteris que puguin dur a terme la fotosíntesi, que és quan la llum és utilitzada pels fotoautòtrofs com font d'energia a més de font d'aliment per la fixació del diòxid de carboni. Les fonts d'energia utilitzades pels arqueobacteris per fixar el carboni són extremament diverses, i van de l'oxidació de l'amoníac (per part dels nitrosopumilals en un metabolisme anammox) fins a l'oxidació d'àcid sulfhídric o sofre elemental per part d'espècie de Sulfolobus, utilitzant oxigen o ions metàl·lics com acceptors d'electrons.

Els arqueobacteris fotòtrofs utilitzen llum per produir energia química en forma d'ATP. En els halobacteris hi ha bombes d'ions que s'activen per la llum, com ara la bacteriorodopsina i l'halorodopsina, que generen gradients d'ions per mitjà del bombament d'ions vers l'exterior de la cèl·lula a través de la membrana plasmàtica. L'energia emmagatzemada en aquests gradients electroquímics és posteriorment convertida en ATP per l'ATP sintasa. Aquest procés és una forma de fotofosforilació. L'estructura i el funcionament d'aquestes bombes activades per la llum han sigut estudiats en gran detall, cosa que ha revelat que la seva capacitat de moure ions a través de les membranes depèn en uns canvis produïts per la llum en l'estructura d'un cofactor de retinol incorporat al centre de la proteïna.

Els arqueobacteris solen tenir un únic nucleoide, mal anomenat cromosoma circular, la mida del qual pot arribar a 5.751.492 parells de bases en Methanosarcina acetivorans, que té el genoma arqueobacterià més gran seqüenciat fins a present. El genoma de Nanoarchaeum equitans és el genoma arqueobacterià més petit conegut amb només 490.885 parells de bases, i es calcula que només conté 537 gens codificadors de proteïnes. En els arqueobacteris també s'observen petits fragments independents d'ADN, anomenats plasmidis. Els plasmidis poden moure's d'una cèl·lula a l'altra pel contacte físic, en un procés que pot ser similar a la conjugació bacteriana.

 

Els arqueobacteris poden ser infectats per virus d'ADN bicatenari, que no estan relacionats a cap altra forma de virus i que tenen una varietat de formes inusuals; alguns semblen ampolles, barres ganxudes o llàgrimes. Aquests virus han sigut estudiats amb més detall en els arqueobacteris termòfils, especialment en els ordres dels sulfolobals i els termoproteals. Les defenses contra aquests virus poden implicar l'ús d'ARN interferent de seqüències d'ADN repetitiu dels genomes arquobacterians relacionades amb els gens dels virus.

Els arqueobacteris són genèticament distints dels bacteris i eucariotes, i fins a un 15% de les proteïnes que codifica un genoma arqueobacterià són únics als arqueobacteris, tot i que la majoria d'aquests gens únics manquen de funció coneguda. De la resta de gens únics als arqueobacteris que tenen una funció identificada, la majoria treballen en la metanogènesi. Els gens compartits pels arqueobacteris, bacteris i eucariotes formen un nucli comú de funcions cel·lulars, implicat principalment en la transcripció, la traducció, i el metabolisme dels nucleòtids. Altres característiques distintives dels genomes arquobacterians són l'organització de gens amb funcions relacionades – com ara enzims que catalitzen fases de la mateixa ruta metabòlica – en nous operons, així com grans diferències en els seus gens d'ARNt i les seves aminoacil ARNt sintetases.

La transcripció i la traducció en els arqueobacteris són més similars als processos dels eucariotes que els dels bacteris, i l'ARN polimerasa i els ribosomes arquobacterians són molt propers als seus homòlegs eucariotes. Tot i que els arqueobacteris només tenen un tipus d'ARN polimerasa, la seva estructura i funció en la transcripció sembla propera a la de l'ARN polimerasa II dels eucariotes, amb assemblatges proteics similars (els factors de transcripció generals) que dirigeixen la unió de l'ARN polimerasa al promotor d'un gen. Tanmateix, altres factors de transcripció arquobacterians són més propers als que tenen els bacteris. La modificiació posttranscripcional és més simple que en els eucariotes, car la majoria de gens arquobacterians manquen d'introns, tot i que hi ha molts introns en elseus gens de l'ARN de transferència i ARN ribosòmic, i pot haver-hi introns en alguns dels seus gens codificadors de proteïnes.

Els arqueobacteris es reprodueixen asexualment per fissió binària o múltiple, fragmentació, o gemmació; no experimenten meiosi, de manera que si una espècie d'arqueobacteri existeix en més d'una forma, totes elles tindran el mateix material genètic. La divisió cel·lular és controlada en els arqueobacteris en un cicle cel·lular; un cop el cromosoma de la cèl·lula s'ha replicat i els dos cromosomes fills han quedat separats, la cèl·lula es divideix. Els detalls del cicle cel·lular arqueobacterià només han sigut investigats en el gènere Sulfolobus, però aquest té característiques que són similars tant als sistemes bacterians com als eucariotes. En aquest arqueobacteri, els cromosomes es repliquen a partir de múltiples punts d'inici (orígens de replicació) utilitzant ADN polimerases que s'assemblen als enzims eucariotes equivalents. Tanmateix, les proteïnes que controlen la divisió cel·lular, com ara la proteïna FtsZ, que forma un anell contraent al voltant de la cèl·lula, i els components del septe que es forma a través del centre de la cèl·lula, són similars als seus homòlegs bacterians.

Tant els bacteris com els eucariotes produeixen espores, però aquest fet no ha sigut observat en cap arqueobacteri conegut. Algunes espècies d'haloarqueus experimenten dimorfisme fenotípic i creixen com diversos tipus diferents de cèl·lula, incloent-hi estructures amb parets gruixudes que són resistents als xocs osmòtics i que permeten als arqueobacteris sobreviure en aigües amb concentracions baixes de sal, però aquestes no són estructures reproductives, sinó que podrien contribuir amb la dispersió a nous hàbitats.

Hàbitats

Els arqueobacteris existeixen en una gran varietat d'hàbitats, són una part important dels ecosistemes globals, i podrien representar fins a un 20% del total de biomassa de la Terra. Nombrosos arqueobacteris són extremòfils, i aquest tipus d'hàbitat fou vist històricament com el seu nínxol ecològic. De fet, alguns arqueobacteris sobreviuen a altes temperatures, com la soca 121, sovint per sobre de 100 °C, com les que hi ha als guèisers, xemeneies mineralitzants, i pous de petroli. Altres viuen en hàbitats molt freds, i d'altres en aigües altament salines àcides o alcalines. Tanmateix, altres arqueobacteris són mesòfils que viuen en condicions molt més suaus; aiguamolls, clavegueres, els oceans i el sòl.

 

Els arqueobacteris extremòfils són membres de quatre grups fisiològics principals. Són els halòfils, termòfils, alcalífils i acidòfils. Aquests grups no són incloents ni tenen una relació amb el fílum al qual pertanyi un determinat arqueobacteri, ni són mútuament exclusius, car alguns arqueobacteris pertanyen a diversos d'aquests grups. Tanmateix, són útils com punt de partida per la classificació d'aquests organismes.

Els halòfils, incloent-hi el gènere Halobacterium, viuen en ambients extremament salins, com ara llacs salats, i comencen a superar els seus homòlegs bacterians a salinitats superiors al 20-25%. Els termòfils prosperen a temperatures per sobre de 45 °C, en llocs com ara aigües termals; els arqueobacteris hipertermòfils són els que prosperen a temperatures superiors a 80 °C. La Soca 116 arqueobacteriana de Methanopyrus kandleri creix a 122 °C, que és la temperatura més alta registrada a la qual prospera un organisme. Altres arqueobacteris existeixen en condicions molt àcides o alcalines. Per exemple, un dels acidòfils arquobacterians més extrems és Picrophilus torridus, que creix a un pH 0, cosa que equival a prosperar en àcid sulfúric amb una concentració molar d'1,2.

Aquesta resistència a ambients extrems ha convertit els arqueobacteris en el centre d'especulació sobre les possibles propietats de la vida extraterrestre. Aquesta s'ha centrat en la possibilitat que existeixi vida microbial a Mart, i fins i tot s'ha arribat a suggerir que microbis viables podrien viatjar entre planetes en meteorits.

Recentment, diversos estudis han demostrat que els arqueobacteris no existeixen únicament en medis mesòfils i termòfils, sinó que també estan presents, a vegades en altes quantitats, a temperatures baixes. Per exemple, els arqueobacteris són comuns en ambients oceànics freds com ara els mars polars. Encara són més significants les grans quantitats d'aqueobacteris que viuen arreu del món en la comunitat planctònica (com a part del picoplàncton). Tot i que aquests arqueobacteris poden ser presents en quantitats extremament grans (fins a un 40% de la biomassa microbial), gairebé cap d'aquestes espècies no ha sigut aïllada i estudiada en un cultiu pur. Per consegüent, la comprensió actual del paper dels arqueobacteris en l'ecologia dels oceans és rudimentària, de manera que la seva influència completa sobre els cicles biogeoquímics globals roman en gran part sense explorar. Tanmateix, un estudi recent ha demostrat que un grup de crenarqueots marins són capaços de dur a terme la nitrificació, suggerint que aquests organismes podrien ser importants en el cicle del nitrogen oceànic. També es troben grans quantitats d'arqueobacteris als sediments que cobreixen el fons marí, i aquests organismes formen la majoria de cèl·lules vivents a profunditats de més d'un metre dins aquest sediment.

Paper en els cicles químics

Els arqueobacteris formen part dels sistemes de la Terra que reciclen elements com ara carboni, nitrogen i sofre dels diversos hàbitats de cada ecosistema. Tot i que aquestes activitats són vitals pel funcionament normal dels ecosistemes, els arqueobacteris també poden contribuir als canvis que els humans causen a l'ambient, i fins i tot provocar contaminació.

Els arqueobacteris duen a terme múltiples passos del cicle del nitrogen; això inclou tant reaccions dissimilatòries que eliminen nitrogen dels ecosistemes (com ara la respiració basada en nitrats i la desnitrificació), com processos assimilatoris que introdueixen nitrogen, com ara l'assimilació de nitrogen i la fixació de nitrogen. El paper dels arqueobacteris en les reaccions d'oxidació d'amoníac fou descobert recentment; és particularment important als oceans. Sembla que els arqueobacteris també tenen una especial importància en l'oxidació d'amoníac al sòl; produeixen nitrits, que són posteriorment oxidats en nitrats per altres microbis, i després absorbits per plantes i altres organismes.

En el cicle del sofre, els arqueobacteris que creixen oxidant compostos de sofre són importants car alliberen aquest element de les roques, fent-lo disponible per altres organismes. Tanmateix, els arqueobacteris que fan això, com ara Sulfolobus, poden causar danys ambientals, car produeixen àcid sulfúric com producte residual, i el creixement d'aquests organismes en mines abandonades pot causar un drenatge miner àcid.

En el cicle del carboni, els arqueobacteris metanògens són rellevants com productors de metà. La capacitat d'aquests arqueobacteris d'eliminar hidrogen és important en la degradació de matèria orgànica per part de les poblacions de microorganismes que actuen com desintegradors en ecosistemes anaeròbics, com ara sediment, aiguamolls o instal·lacions de tractament de residus. Tanmateix, el metà és un dels gasos amb efecte d'hivernacle més abundants de l'atmosfera terrestre, representant el 18 % del total global. És un gas amb efecte d'hivernacle 25 vegades més potent que el diòxid de carboni. Els metanògens són la font principal de metà atmosfèric, i són els responsables de bona part de les emissions anuals de metà del món. Per tant, aquests arqueobacteris contribueixen a les emissions globals de gasos amb efecte d'hivernacle i a l'escalfament global.

Interaccions amb altres organismes

 

Les interaccions ben definides entre arqueobacteris i altres organismes són o bé mutualistes o bé comensalistes. El 2007, encara no es coneixia cap exemple clar de patogen o paràsit arqueobacterià. Tanmateix, s'ha suggerit una relació entre la presència d'algunes espècies de metanògens i les infeccions a la boca, i Nanoarchaeum equitans podria ser parasitari, car només sobreviu i es reprodueix dins les cèl·lules del crenarqueot Ignicoccus hospitalis, i sembla no oferir cap benefici al seu hoste.

Un exemple ben comprès de mutualisme és la interacció entre els protozous i els arqueobacteris metanògens del sistema digestiu d'animals que digereixen cel·lulosa, com ara remugants i tèrmits. En aquests ambients anaeròbics, els protozous descomponen la cel·lulosa de material vegetal per obtenir-ne energia. Aquest procés allibera hidrogen com producte residual, però els nivells alts d'hidrogen redueixen l'energia generada per aquesta reacció. Quan els metanògens converteixen l'hidrogen en metà, els protozous se'n beneficien car podran obtenir més energia de la descomposició de la cel·lulosa.

Aquestes associacions entre metanògens i protozous van un pas més enllà en diverses espècies de protozous anaeròbics, com ara Plagiopyla frontata; en aquest cas, els arqueobacteris viuen dins el protozou i consumeixen l'hidrogen produït als seus hidrogenosomes. S'estan descobrint associacions similars amb organismes més grans, amb el descobriment que l'arqueobacteri marí Cenarchaeum symbiosum viu a dins de (és un endosimbiont de) l'esponja Axinella mexicana.

Els arqueobacteris també poden ser comensals, beneficiant-se d'una associació sense ajudar o danyar l'altre organisme. Per exemple, el metanogen Methanobrevibacter smithii és de llarg l'arqueobacteri més comú de la flora humana, representant aproximadament un 10% de tots els procariotes de l'intestí humà. Com en el cas dels tèrmits, és possible que aquests metanògens siguin en realitat mutualistes en els humans, interaccionant amb altres microbis de l'intestí per facilitat la digestió dels aliments. També hi ha comunitats arqueobacterianes associades amb una varietat d'altres organismes, com ara a la superfície de coralls, i a la part del sòl que envolta les arrels de les plantes (la rizosfera).

Els arqueobacteris extremòfils, especialment els que resisteixen la calor o acideses i alcalinitats extremes, són una font d'enzims que funcionen en aquestes condicions severes. Aquests enzims tenen una gran varietat d'usos. Per exemple, ADN polimerases termoestables, com ara la Pfu ADN polimerasa de Pyrococcus furiosus, han revolucionat la biologia molecular permetent que es faci servir la reacció en cadena de la polimerasa com tècnica senzilla i ràpida per clonar ADN. En la indústria, amilases, galactosidases i pul·lulanases d'altres espècies de Pyrococcus que funcionen per sobre de 100 °C permeten tractar aliments a altres temperatures, com en la producció de llet i xerigot pobres en lactosa. Els enzims d'aquests arqueobacteris termòfils també tendeixen a ser molt estables en dissolvents orgànics, permetent-ne la utilització en processos respectuosos amb el medi ambient en química verda que sintetitzen compostos orgànics. L'estabilitat dels enzims termòfils també fa que siguin més fàcils d'utilitzar en la biologia estructural, de manera que els enzims homòlegs d'enzims bacterians o eucariotes d'arqueobacteris extremòfils siguin utilitzats en estudis estructurals.

En contrast amb la varietat d'usos dels enzims arquobacterians, els usos dels organismes en si en la biotecnologia són més limitats. Tanmateix, els arqueobacteris metanògens són una part vital del tractament de residus, car formen part de la comunitat de microorganismes que duen a terme la digestió anaeròbica i produeixen biogàs. En la mineralúrgia, els arqueobacteris acidòfils són prometedors per l'extracció de metalls dels minerals, incloent-hi or, cobalt i coure.

S'ha descobert una nova classe d'antibiòtics potencialment útils en els arqueobacteris. S'han descrit algunes d'aquestes arqueocines, però es creu que n'existeixen centenars més, especialment en Haloarchaea i Sulfolobus. Aquests compostos són importants car tenen una estructura diferent de la dels antibiòtics bacterians, de manera que poden tenir un mode d'acció diferent. A més, podrien permetre la creació de nous marcadors seleccionables per utilitzar-los en la biologia molecular arqueobacteriana. El descobriment de noves arqueocines depèn de la recol·lecció i cultiu reeixits de noves espècies d'arqueobacteris del medi ambient.