Arqueas (Archaea):- Conceptos generales - Cultivo; Identificación molecular (PCR y secuenciación) 

Información 14-10-2016. 

Las arqueas (Archaea) son microorganismos unicelulares con una estructura celular similar a las bacterias, pero con algunas diferencias, por lo se consideraron previamente como bacterias antiguas (Aqueobacterias). Actualmente se consideran un grupo de seres vivos independientes (dominio Archeae), independiente de los otros dos grupos de seres vivos las bacterias (dominio Bacteria) y los eucariotas (dominio Eukaria). En este último dominio se  incluyen a los animales, plantas, hongos y protozoos.

A pesar de ser similares en tamaño y forma a las bacterias, algunas tienen formas muy distintas, con células planas y cuadradas. A veces sus genes y rutas metabólicas, son más parecidas a las de los eucariotas, como ocurre con las enzimas para la transcripción y traducción. También poseen moléculas diferentes en su estructura (éteres lipídicos en sus membranas celulares), y utilizan muchas fuentes de energía (compuestos orgánicos, amoniaco, iones de metales o hidrógeno). Toleran salinidades elevadas, utilizan la luz solar como fuente de energía, y pueden fijar el carbono. Se dividen por fisión binaria, fragmentación o gemación, a diferencia de otros seres vivos.

Se consideran microorganismos extremófilos, es decir que pueden desarrollarse en condiciones “extremas”, como ocurre en agua termales de elevada temperatura, aguas saladas, pero también pueden encontrarse en el suelo, los océanos, los pantanos  y en el intestino humano o de los rumiantes, en los que contribuye a digerir los alimentos.

Mediante el análisis del ARN ribosómico se admite la existencia de cinco grupos evolutivos: Euryarchaeota, Crenarchaeota, Korarchaeota, Nanoarchaeota y Thaumarchaeota, de las que son más frecuentes los dos primeros. Los Euryarchaeota incluyen microorganismos muy variados como metanógenos, termoacidófilos e hiperhalófilos. Los Crenarchaeota incluyen hipertermófilos, acidófilos, reductores y/u oxidantes del azufre y quimiolitoheterótrofos. Los Korarchaeota son muy escasos y se encuentran en aguas termales. Los Nanoarchaeota son hipertermófilos o acidófilos muy pequeños, con un tamaño de 300 nm de diámetro que los haría ser los procariontes más pequeños. Los Thaumarchaeota son quimiolitoautótrofos nitrificantes de ambientes marinos y terrestres.

El tamaño de las arqueas puede ser desde 0,1 µm a más de 15 µm, con formas redondas, alargadas,  filamentosas, espirales, lobuladas o planas. Algunas forman agregados o filamentos de hasta 200 μm, o incluso pueden formar colonias filamentosas macroscópicas. Su estructura es similar a la de las bacterias, sin estructuras internas, su membrana celular está rodeada por una pared celular y pueden tener flagelos. Se parecen a las bacterias grampositivas con la membrana citoplásmica y la pared celular, sin espacio periplásmico, con alguna excepción en la que existe un espacio periplásmico en el que pueden encontrarse vesículas con membrana.

Sin embargo, los lípidos de las membranas de las arqueas son muy distintos a los que existen en otras formas de vida, como las bacterias o los eucariotas y probablemente por ello son más resistentes a las condiciones extremas. En las bacterias y en los eucariotas existen fosfolípidos, que están compuestos por una parte no polar hidrófoba (ácido graso sin ramificaciones, ni anillos), una parte polar hidrófila unidas a  glicerol (D-glicerol) y fosfato, a través de un enlace tipo éster, formando estructuras en capas (bicapa lipídica). Los ésteres más comunes se forman por la unión de un ácido y un alcohol (grupos –COOH  y –OH), de forma que el radical hidroxilo –OH, se sustituye por el grupo –COO del ácido graso. El átomo de hidrógeno (H) del grupo ácido se une con el radical hidroxilo del alcohol para formar agua (H2O).

En las arqueas, los fosfolípidos están también integrados por una parte hidrófoba (estructura isoprenoide larga y ramificada, a veces con anillos ciclohexano o ciclopropano) y una parte polar de glicerol (L-glicerol) y fosfato, pero unidos por un enlace tipo éter, cuya resistencia es muy superior, por ejemplo a las temperatura elevadas. Los isoprenoides, o terpenos, son hidrocarburos de 5 átomos de carbono derivados de 2-metilbutano-1, 3-dieno. El enlace de tipo éter es un grupo de tipo R-O-R´, siendo R y R´ grupos alquilo, por ejemplo de dos alcoholes (ROH + HOR´à R-O-R´+ H2O). Estos grupos son muy hidrofóbicos y no tienden a ser hidrolizados. Algunas arqueas, en lugar de tener una bicapa lípídica tienen una monocapa resultante de la fusión de dos cadenas hidrofóbicas, formando una única molécula con dos grupos polares hidrófilos que podría conferir mayor rigidez a las condiciones extremas, como la acidez.

La mayoría de las arqueas tienen una pared celular compuesta de proteínas que forman una agrupación rígida (capa S) que cubre el exterior de la células formando una malla que protege química y física a la membrana celular. Carecen de peptidoglucano, a excepción de las arqueas metanógenas que poseen un seudopeptidoglucano que carece de ácido N-acetilmurámico y de aminoácidos 

Las arqueas pueden obtener su energía de compuestos inorgánicos como el azufre o el amoniaco (arqueas litótrofas, como las nitrificantes, metanógenas y oxidantes anaeróbicos del metano) y como fuente de carbono compuestos inorgánicos o fijación del nitrógeno. Otras utilizan la luz solar como fuente de energía (arqueas fotótrofas, pero sin fotosíntesis) y como fuente de carbono utilizan compuestos orgánicos. Finalmente, otras obtienen la energía de compuestos orgánicos (arqueas organótrofas) y la fuente de carbono la obtienen a partir de compuestos orgánicos o de fijación del carbono.

Las arqueas pueden vivir en muchos habitats y podrían formar el 20% de la biomasa de la Tierra. Muchas son extremófilas y se pensó que éste era su único nicho ecológico. Por ejemplo, algunas viven a temperaturas muy elevadas (arqueas termófilas - >45ºC- e hipetermófilas - >80ºC-), incluso superior a 100ºC; otras se encuentran en habitats muy fríos, en aguas muy salinas (arqueas halófilas), ácidas (arqueas acidófilas, incluso a pH 0) o alcalinas (arqueas alcalófilas). Otras se desarrollan a temperaturas más suaves (arqueas mesófilas) y viven en condiciones suaves y húmedas como en océanos y suelos.

Relación de las arqueas con otros seres vivos 

Las arqueas se encuentran en vida libre en la naturaleza en suelos, aguas, ambientes extremófilos como manantiales de aguas calientes y aguas ácidas o alcalinas. También se han encontrado en relación con seres vivos en situaciones de mutualismo o comensalismo. En relación con situaciones de patogenicidad sólo se ha sugerido su implicación en infecciones bucales.

En situaciones de mutualismo se han encontrado arqueas metanógenas en el sistema digestivo de los animales que digieren la celulosa como los rumiantes y las termitas, asociadas a protozoos. Los protozoos digerirían la celulosa vegetal para obtener energía, liberando hidrógeno, pero éste reduciría la energía liberada. Sin embargo, la presencia de las arqueas convertiría el hidrógeno en metano (CH4) al utilizar el CO2 como aceptor final de electrones (4H2 + CO2à CH4 + 2H2O), beneficiando a los protozoos. Algunas arqueas vivirían en el interior de protozoos consumiendo el hidrógeno producido por ellos en los hidrogenosomas, e igual ocurriría en algunas esponjas marinas. En la flora intestinal humana existe el metanógeno Methanobrevibacter smithii, que al igual que en las termitas, podrían ser mutualistas interactuando con otros microbios para contribuir a la digestión de los alimentos. De igual forma se han encontrado asociadas a corales y junto a las raíces de plantas.

Interés en tecnología e industria

Las condiciones extremas en las que pueden desarrollarse estos microorganismos son posibles porque disponen de enzimas que pueden ejercer su función en estas condiciones. Por esta razón algunas de sus enzimas se están utilizando para realizar reacciones en condiciones extremas. Es el caso de algunas ADN polimerasas termoestables, como la ADN polimerasa Pfu (Pyrococcus furiosus)  que se utiliza en Biología Molecular. Igual ocurre con amilasas, galactosidasas, etc., de otras especies de Pyrococcus que realizan su función a más de 100ºC, con lo que pueden procesarse alimentos a elevadas temperaturas (leche baja en lactosa o suero de leche). Las arqueas metanógenas se están utilizando para el tratamiento de aguas residuales al realizar la digestión anaeróbica de los residuos produciendo biogás. Las arqueas acidófilas se utilizan en minería para la obtención de metales como oro, cobalto y cobre. Se está considerando la obtención de antibióticos de estos microorganismos. 

Pruebas realizadas en IVAMI:

 

  • Cultivo e identificación molecular de las arqueas (Achaea) aisladas en cultivo.

Al ser posible que puedan coexistir diferentes especies de arqueas en cualquiera de las condiciones ambientales en las que se encuentren, debemos cultivar la muestra en lugar de ir directamente a su detección molecular. Por ejemplo en ambientes hipersalinos pueden encontrarse Haloarcula spp., Haloterrigena spp., Haloferax spp., Halorubrum spp, Halobacterium spp, Halonotius spp, Haloquadratum spp, etc.). En algunos ambientes pueden encontrarse coexistiendo arqueas halófilas junto con arqueas metanógenas.

El cliente debe indicar las condiciones en la que se encontraba la muestra para orientar el cultivo en el laboratorio: salinidad y su concentración si se conoce; temperatura; acidez; alcalinidad, intestinal; ….

 

  • Detección molecular únicamente: cuando sólo se desee saber si existen arqueas, podría realizarse la detección molecular.

Muestra recomendada:

 

  • La muestra dependerá del lugar donde se desee detectar su presencia: agua, suelo, intestino de animales, …
  • Se requieren unos 100 gramos o 100 mL según corresponda.

Conservación y envío de la muestra:

 

  • Condiciones ambientales en las que habitualmente se encuentre la muestra, excepto si se trata de muestras que se encontrasen a elevadas temperaturas que pueden remitirse a  temperatura ambiental.

Plazo de entrega:

 

  • 10 a 15 días según tengamos que identificar o no. El cultivo es prolongado ya que debe realizarse un enriquecimiento con subcultivos a las 48 horas y 7 días, con la identificación molecular en caso de encontrarse presentes. 

Coste de la prueba: