UNIDAD 4 ARQUEOBACTERIAS

4.2 METABOLISMO

4.2.1 CARACTERÍSTICAS EXTREMÓFILAS

4.2.2 CRECIMIENTO Y REPRODUCCIÓN

4.2.3 AISLAMIENTO Y PURIFICACIÓN

METABOLISMO

Las arqueas presentan una gran variedad de reacciones químicas en su metabolismo; Estas formas de metabolismo se clasifican en grupos nutricionales, según la fuente de la energía y del carbono.

Algunas arqueas obtienen la energía de compuestos inorgánicos como el azufre o el amoníaco (son litótrofas). Estas arqueas incluyen nitrificantes, metanógenos y oxidantes anaeróbicos de metano.

Cianobacterias fotoautótrofas

Otros grupos de arqueas utilizan la luz solar como fuente de energía (son fotótrofas), como las algas, protistas y bacterias. Sin embargo, ninguno de estos organismos presenta una fotosíntesis generadora de oxígeno (fotosíntesis oxigénica), como las cianobacterias.

Muchas de las rutas metabólicas básicas son compartidas por todas las formas de vida, por ejemplo, las arqueas utilizan una forma modificada de la glucólisis (la ruta de Entner-Doudoroff), y un ciclo de Krebs completo o parcial. Estas semejanzas reflejan tanto la evolución temprana de estas partes del metabolismo en la historia de la vida, como su alto nivel de eficiencia.

Algunas Euryarchaeota son metanógenas y producen gas metano en ambientes anaeróbicos como pantanos. Este tipo de metabolismo evolucionó pronto, e incluso es posible que el primer organismo de vida libre fuera un metanógeno.

La metanogénesis implica una variedad de coenzimas que son únicos de estas arqueas, como la coenzima M o el metanofurano. Otros compuestos orgánicos como alcoholes, ácido acético o ácido fórmico son utilizados como receptores de electrones por los metanógenos.

Otras arqueas utilizan el CO2 de la atmósfera como fuente de carbono, en un proceso llamado fijación del carbono (son autótrofas). En las arqueas, este proceso implica o bien una forma muy modificada del ciclo de Calvin, o una ruta metabólica recientemente descubierta conocida como ciclo del 3-hidroxipropionato/4-hidroxibutirato.

Las Crenarchaeota también utilizan el ciclo de Krebs inverso y las Euryarchaeota también utilizan la ruta reductora acetil-CoA.

Tipos nutricionales del metabolismo de las arqueobacterias.

Tipo nutricional Fuente de energía

Fuente del carbono Ejemplos

 Fotótrofos   Luz solar   Compuestos orgánicos   Halobacteria 

 Litótrofos  Compuestos inorgánicos

 Compuestos inorgánicos o 

fijación del carbono

 Ferroglobus, Methanobacteria o Pyrolobus 

 Organótrofos  Compuestos orgánicos 

 Compuestos orgánicos o 

fijación del carbono

 

 Pyrococcus, Sulfolobus oMethanosarcinales 

4,2,1 CARACTERÍSTICAS TERMÓFILAS

Basados en su fisiología se distinguen:

Metanogénicas procariotas que producen metano.

Halofilas extremas viven en regiones con muy alta concentración de sal (NaCl); requieren una concentración de al menos 10% de cloruro de sodio para su crecimiento.

Extremas (hiper) termófilas viven a temperaturas muy altas.

Son capaces de crecer en un rango de temperatura entre 50º 86º grados. Estas células son cocos irregulares móviles, debido a la presencia de dos haces de flagelos polares insertos cerca del mismo polo .

Además de las características unificadoras de las arqueobacterias, (pared celular sin mureína, lípidos de membranas con enlaces éter, etc.), estos procariotas exhiben atributos bioquímicos que le permiten adaptarse a estos ambientes extremos.

Las Crenarchaeota son principalmente hipertermofílicos dependientes del sulfuro y los Euryarchaeota son metanogénicos y halófilos extremos.

METANOGÉNICAS

Son anaerobias obligadas que no toleran ni siquiera breves exposiciones al aire (O2). En ambientes anaeróbicos son muy abundantes, incluyen sedimentos marinos y de agua dulce, pantanos y suelos profundos.

En el proceso de construcción de material celular desde H2 y CO2, Las metanogénicas producen metano (CH4) en un único proceso generador de energía. El producto final, gas metano, se acumula en el ambiente, así se han creado la mayoría de las fuentes naturales de gas natural (combustible fósil)

Los procariotas Metanogénicos son habitantes normales del rumen de vacas y rumiantes. Una vaca puede eliminar unos 50 litros de gas metano por día, en el proceso de eructación.

El metano es un importante gas del efecto invernadero que se acumula en la atmósfera a velocidad alarmante. Cuando se destruyen áreas verdes y se reemplazan por ganado se produce un doble impacto en el efecto invernadero ("double-hit").

HALÓFILAS EXTREMAS

Viven en ambientes naturales como el mar Muerto, el Great Salt Lake (Colorado USA), o en estanques de evaporación de agua salada, donde la concentración de sal es muy alta (hasta 5 molar o 25 por ciento de NaCl).

Halobacterium halobiumse adapta al ambiente altamente salino por el desarrollo de una "membrana púrpura", que toma esta coloración por la presencia del pigmento del tipo de rodopsina llamado bacteriorodopsina que reacciona con la luz formando un gradiente de protones a lo largo de la membrana que permite la síntesis de ATP

Este es el único ejemplo en la naturaleza de una fotofosforilación sin clorofila. Estos organismos son heterótrofos y aerobios, la alta concentración de ClNa en el ambiente limita la disponibilidad de O2 para la respiración, por lo que usando bacteriorhodopsina aumentan su capacidad de producir a ATP, convirtiéndolo a partir de la energía lumínica.

Halobacterium salinarium es una halofila extrema que crece a 4 - 5 M NaCl y no crece por debajo de 3 M NaCl.

TERMÓFILAS EXTREMAS (TERMOACIDÓFILAS)

Estos organismos requieren temperaturas muy altas (80º 105ºgrados) para crecer. La mayoría de ellas requiere sulfuro para crecer, algunas son anaerobias y usan el sulfuro como aceptor de electrones en la respiración, en reemplazo del oxígeno.

Otras son litotróficas y oxidan sulfuro como fuente de energía, crecen a bajo pH (< pH 2) dado que acidifican su ambiente oxidando Su (sulfuro) a SO4 (ác. sulfúrico).

Estos hipertermófilos son habitantes de ambientes calientes, ricos en sulfuro asociados a los volcanes, como los manantiales clientes, géiseres y las fumaroles del Parque National de Yellowstone , en respiraderos termales ("smokers") y en fracturas del piso oceánico.

Sulfolobus fue el primer Archeae hipertermofílicos descubierto por Thomas D. Brock de la Universidad de Wisconsin en 1970. Su descubrimiento, junto al de Thermus aquaticus en el Parque Yellowstone, iniciaron el campo de la biología de los hipertermófilos.

Parque National de Yellowstone

Yellowstone National Park, USA, izq: Octopus Spring, der: Obsidian Pool.

Thermus aquaticus, (fuente de la enzima taq polimerasa usada en la reacción en cadena de la polimerasa , PCR), crece a 70º grados. Sulfolobus crece en ambientes rico en sulfuro, manantiales calientes, 90º grados y pH 1.

Thermoplasma, también descubierta por Brock, es un termófilo único, ya que es el representante exclusivo de una línea filogenética de Archaea. Thermoplasma recuerda a las bacterias micoplasmas ya que carece de pared celular. Thermoplasma crece a 55º grados y pH 2; solo han sido encontradas en pilas calientes de carbón, los cuales son productos de desecho humanos.

Sulfolobus acidocaldarius (T.D. Brock) izq: MET X85,000, der: microfotografía por fluorescencia de células adheridas a cristales de sulfuro.

Con respecto a la tolerancia ácida, una bacteria: Thiobacillus, puede crecer a pH 0. Un alga, Cyanidium, también puede crecer a pH 0. En ambiente supercálidos (> de 100º C), los Archaea son exclusivos. Ninguna bacteria puede crecer en altas concentración de sales.

A pesar que las Archaea son extremófilos por excelencia, también pueden encontrarse Bacterias, e inclusive algunos eucariotas en estos hábitat. Ninguna bacteria produce metano, pero existen algunas que creen en estos ambientes.

4.2.2 CRECIMIENTO Y REPRODUCCIÓN

Las arqueas se reproducen asexualmente por fisión binaria o múltiple, fragmentación o gemación. No se produce meiosis, de manera que si una especie de arquea existe en más de una forma, todas tienen el mismo número de cromosomas (tienen el mismo cariotipo).

La división celular está controlada como parte de un complejo ciclo celular, donde el cromosoma se replica, las copias se separan y luego la célula se divide.

Los detalles del ciclo celular sólo han sido investigados en el género Sulfolobus, siendo similares a los de bacterias y eucariontes:

los cromosomas se replican desde múltiples puntos de partida (origen de replicación) usando ADN polimerasas que son similares a las enzimas equivalentes eucarióticas.Sulfolobus

Sulfolobus infectada por el virus STSV-1

Sin embargo, las proteínas que dirigen la división celular, como la proteína FtsZ que forma un anillo contráctil alrededor de la célula, parecen estar más relacionadas con sus equivalentes bacterianos.

No se forman endosporas en ninguna especie de arquea, aunque algunas especies de Halobacteria pueden alternar entre fenotipos y crecer como diferentes tipos de células, incluidas estructuras de paredes gruesas que son resistentes al choque osmótico y que les permiten sobrevivir a bajas concentraciones de sal.

No se trata de estructuras reproductivas, pero es posible que ayuden a estas especies a dispersarse en nuevos hábitats.

Halobacteria

Halobacteria sp. cepa NRC-1, cada célula mide aproximadamente 5 μm

de longitud.

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL CRECIMIENTO MICROBIANO

Factores que influyen en el desarrollo de microorganismos: la temperatura. Temperatura máxima, óptima y mínima. Hipertermófilos, termófilos, mesófilos y psicrófilos.

El crecimiento de los microorganismos se encuentra influenciado por varios factores. Entre ellos los más importantes son la aireación y la temperatura. En cuanto a este último, la Temperatura, los microorganismos tienen un margen de temperaturas en el cual pueden crecer.

Este margen viene delimitado por la temperatura máxima de crecimiento, a partir de la cual no pueden vivir e incluso mueren; la temperatura mínima por debajo de la cual no pueden crecer aunque generalmente no mueren; y la temperatura óptima a la cual ofrecen el mejor crecimiento.

Atendiendo a este margen de temperatura de crecimiento, los microorganismos se clasifican en:

Hipertermófilos: Su temperatura óptima se encuentra por encima de los 80ºC. Muchos de ellos son arqueas.

Termófilos: Su temperatura óptima se encuentra entre 45-70ºC. Suelen ser microorganismos de vida libre.

Mesófilos: Su temperatura óptima se encuentra entre los 25-45ºC. Incluye microorganismos patógenos y comensales del hombre y animales de sangre caliente y algunos de vida libre.

4.2.3 AISLAMIENTO Y PURIFICACIÓN

Aislamiento es la separación de un determinado microorganismo del resto de microorganismos que le acompañan. El método más usual es la siembra por estría sobre un medio de cultivo sólido adecuado dispuesto en una placa de petri.

Para ello se toma una pequeña cantidad de muestra con un asa de platino y se reparte sobre la superficie del medio de cultivo. Sobre el medio quedan separadas e inmovilizadas las células bacterianas.

Tras la incubación en condiciones adecuadas, cada célula viable origina una colonia visible resultado de sucesivas divisiones celulares. Cada colonia bacteriana tiene unas características determinadas en cuanto a su forma, borde, elevación, tamaño , consistencia, etc.. Los tipos de bacterias presentes en la muestra original es visible como tipos diferentes de colonias.

A partir de colonias separadas suficientemente es posible obtener un cultivo puro de cada uno de los tipos de bacterias presentes en la muestra original.

Se trata de obtener el cultivo de un solo tipo microbiano en un medio de cultivo, por ejemplo en un tubo inclinado de agar nutritivo. Para ello, se obtiene una pequeña cantidad de masa bacteriana de una colonia separada en el aislamiento.

Con ella se inocula un nuevo medio de cultivo haciendo estrías muy juntas. La incubación en condiciones adecuadas proporcionará un cultivo puro. Puede repetirse el proceso con cada tipo de colonia. Se obtendrá una colección de cultivos puros, separados, de los microorganismos que coexistían en la muestra original. Solo tres puntos… abrázame.

PURIFICACIÓN

Es aconsejable hacer un segundo aislamiento antes de proceder a la obtención del cultivo puro. Si todas las colonias de la segunda placa resultan idénticas, puede usarse una de ellas para establecer el cultivo puro.

Obtenido el cultivo puro es conveniente comprobar su pureza mediante una tinción de Gram. Los cultivos puros de microorganismos son mantenidos en el laboratorio por resiembras (pase de un medio de cultivo a otro) sucesivas. Una de las copias puede ser liofilizada para su conservación.

REFERENCIAS

http://www.espacial.org/planetarias/astrobiologia/microorganismos_pequen1.htm

https://sites.google.com/a/goumh.umh.es/practicas-de-microbiologia/indice/influencia-del-medio-ambiente/temperatura

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2000024/lecciones/cap01/01_03_02.htm

Romano A, Conway T (1996). «Evolution of carbohydrate metabolic pathways». Res Microbiol 147 (6–7): pp. 448–55. doi:10.1016/0923-2508(96)83998-2. PMID 9084754

Schimel J (August 2004). «Playing scales in the methane cycle: from microbial ecology to the globe». Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101 (34): pp. 12400–1.

http://es.wikipedia.org/wiki/Archaea#H.C3.A1bitats