Las Arqueas: Un mundo microbiológico por descubrir

Se trata de un grupo de microorganismos unicelulares de morfología procariota (sin núcleo), que forman parte de uno de los tres grandes dominios de los seres vivos: arqueas, bacterias y eucariotas.Las arqueas son organismos microscópicos, (tamaño entre 0,1 µm a más de 15 µm), que pueden tener flagelos, con sus células envueltas con una cubierta (pared celular) con lípidos de membrana muy distintos a las otras formas de vida, como las bacterias o los eucariotas, hecho que les confiere alta resistencia a las condiciones extremas. Su alimentación también es muy distinta a la de las bacterias, puesto que aprovechan compuestos inorgánicos como el hidrógeno, dióxido de carbono, alcoholes, azufre, hierro, entre otros.

En el pasado las arqueas fueron clasificadas como bacterias, como procariotas, enmarcadas en el antiguo reino Monera y recibían el nombre de arqueobacterias, pero esta clasificación dejó de utilizarse. En realidad, las arqueas tienen una historia evolutiva independiente y muestran muchas diferencias en su bioquímica con las otras formas de vida, por lo que fueron clasificadas en un dominio separado.

La relación entre los tres dominios es de gran importancia para comprender el origen de la vida. La mayoría de las vías metabólicas, que implican la mayoría de los genes de un organismo, son comunes entre arqueas y bacterias, y la mayoría de los genes implicados en la expresión del genoma son comunes entre arqueas y eucariotas. En los procariotas, la estructura de la membrana de las arqueas es muy similar a las bacterias Gram-positivas, principalmente porque ambas tienen una bicapa lipídica. En los árboles filogenéticos basados ​​en las secuencias de diferentes genes/proteínas de homólogos procarióticos, los homólogos de arqueas están más cerca de los de las bacterias Gram-positivas.

S. Gupta propone que las arqueas evolucionaron a partir de bacterias Gram-positivas en respuesta a una presión selectiva ejercida por los antibióticos liberados por otras bacterias. Esta idea está apoyada por que las arqueas son resistentes a una amplia variedad de antibióticos producidos principalmente por las Gram-positivas, y estos antibióticos actúan principalmente sobre genes que distinguen las arqueas. Su propuesta es que la presión selectiva hacia la resistencia a antibióticos generada por los antibióticos de las Gram-positivas fue finalmente suficiente para causar grandes cambios en muchos de los genes que eran el objetivo del antibiótico, y que estas cepas de microorganismos representaban el ancestro común de las arqueas actuales.

La evolución de las arqueas en respuesta a la selección por antibióticos, o cualquier otra presión selectiva competitiva, también podría explicar su adaptación a ambientes extremos (tales como alta temperatura o acidez) como resultado de una búsqueda de nichos ecológicos desocupados para escapar de los organismos productores de antibióticos. La propuesta de Gupta está apoyada también por otras investigaciones sobre la relación entre las proteínas estructurales y por los estudios que sugieren que las bacterias Gram-positivas pueden constituir uno de los linajes que primero ramificaron en los procariotas.

En el dominio arqueas se admite la existencia de cinco grupos evolutivos (en función del análisis del ARN ribosómico). De estos grupos, los Crenarchaeota (incluye hipertermófilos, acidófilos, reductores y/u oxidantes del azufre y quimiolitoheterótrofos) y los Euryarchaeota (incluye microorganismos metanógenos, termoacidófilos e hiperhalófilos), se están estudiando con mayor intensidad. La clasificación de las arqueas todavía es difícil, porque la gran mayoría nunca fueron estudiadas en el laboratorio y solo fueron detectadas por análisis de sus ácidos nucleicos en muestras tomadas del ambiente.

Las arqueas y bacterias son bastante similares en tamaño y forma, aunque las arqueas tienen formas muy inusuales, redondas, aplanadas, alargadas o filamentosas de hasta 200 µm, o incluso pueden formar colonias filamentosas macroscópicas. A pesar de esta semejanza visual con las bacterias, las arqueobacterias poseen genes y varias rutas metabólicas que son más cercanas a las de los eucariotas, en especial en las enzimas implicadas en la transcripción y la traducción. Otros aspectos de la bioquímica de las arqueobacterias son únicos, como los éteres lipídicos de sus membranas celulares, que les confiere una resistencia muy superior, por ejemplo, a la temperaturas elevadas. Las arqueas explotan una variedad de recursos mucho mayores que los eucariotas, desde compuestos orgánicos comunes como los azúcares, hasta el uso de amoníaco, azufre, iones de metales o incluso hidrógeno como nutrientes. Las arqueas tolerantes a la sal (las halobacterias) utilizan la luz solar como fuente de energía, y otras especies de arqueas fijan carbono. Sin embargo, a diferencia de las plantas y las cianobacterias, no se conoce ninguna especie de arquea que sea capaz de ambas cosas. Las arqueas se reproducen asexualmente y se dividen por fisión binaria, fragmentación o gemación; a diferencia de las bacterias y los eucariotas, no se conoce ninguna especie de arquea que forme esporas.

Las arqueas pueden vivir en muchos hábitats y se ha estimado que podrían formar hasta el 20 % de la biomasa de la Tierra. Inicialmente, las arqueas era consideradas todas extremófilas que vivían en ambientes hostiles tales como aguas termales y lagos salados, ambientes ácidos, alcalinos,… pero la realidad es que se encuentran arqueas en los más diversos hábitats, tales como el suelo, océanos, pantanos y en el colon humano (arqueas mesófilas). Las arqueas son especialmente numerosas en los océanos, y las del plancton podrían ser uno de los grupos de organismos más abundantes del planeta. Actualmente se consideran una parte importante de la vida en la Tierra y podrían jugar un papel importante tanto en el ciclo del carbono como en el ciclo del nitrógeno.

No se conocen ejemplos claros de arqueas patógenas o parásitas, pero suelen ser mutualistas o comensales. Son ejemplos las arqueas metanógenas que viven en el intestino de los humanos (Methanobrevibacter smithii) en el que podrían actuar como mutualistas interactuando con otros microorganismos para contribuir a la digestión de los alimentos, al igual que en los rumiantes, donde están presentes en grandes cantidades y contribuyen a digerir el alimento. De igual forma se han encontrado en termitas, corales, … Como microorganismos patógenos para los seres vivos, sólo se las ha intentado relacionar con su implicación en infecciones bucales.

¿Para qué se pueden utilizar las arqueas?

Las arqueas tienen su importancia en la tecnología. Las extremas condiciones en las que estos microorganismos pueden desarrollarse, han sido estudiadas en profundidad, y se ha visto que esto es posible gracias a que estos microorganismos disponen de determinados enzimas que permiten que esto sea posible. Gracias a esto, algunas de estas enzimas se están utilizando hoy en día para realizar reacciones en condiciones extremas. Existen arqueas  metanógenas que son utilizadas para el tratamiento en depuradoras de aguas residuales, al realizar la digestión anaeróbica de los residuos, produciendo biogás, y las enzimas de arqueas extremófilas son capaces de resistir temperaturas elevadas, pudiendo realizar su función a más de 100ºC, con lo que pueden procesarse alimentos a elevadas temperaturas (leche baja en lactosa o suero de leche). Las enzimas de las arqueas termófilas también tienden a ser muy estables en solventes orgánicos, por lo que pueden utilizarse en una amplia gama de procesos respetuosos con el medio ambiente para la síntesis de compuestos orgánicos.

Gracias a la biotecnología, constantemente se están buscando nuevos microorganismos productores de enzimas capaces de resistir las condiciones drásticas de los procesos industriales. Menos del 1% de los microorganismos que existen han sido estudiados, por lo que se estima que existen millones de ellos por descubrir, encontrándose la mayor parte de ellos en ambientes en los que las condiciones de crecimiento son extremas e imposibles para otro tipo de organismos (microorganismos extremófilos, psicrófilos, hipertermófilos, osmófilos, alcalófilos…). Estos microorganismos, constituyen sin lugar a dudas una fuente potencial de enzimas nuevas. Por ejemplo, los psicrófilos sintetizan enzimas con modificaciones bioquímicas que les permiten funcionar a bajas temperaturas, así como moléculas que reducen el punto de congelación del agua dentro de la célula. Una nueva clase de antibióticos potencialmente útiles se derivan de este grupo de organismos. Ocho de esas sustancias ya han sido caracterizadas, pero podría haber muchas más, especialmente en Halobacterias. Estos compuestos son importantes porque tienen una estructura diferente a la de los antibióticos bacterianos, de manera que pueden tener un modo de acción diferente. Además, podrían permitir la creación de nuevos marcadores seleccionables para utilizarlos en la biología molecular arqueobacteriana. El descubrimiento de nuevas sustancias depende de la recuperación de estos organismos del medio ambiente y de su cultivo.

La gran biodiversidad existente entre los microorganismos extremófilos y su capacidad para sintetizar proteínas y enzimas, activas en estas condiciones extremas, ha abierto un prometedor panorama en la biotecnología, ya que gran parte de los procesos industriales ocurren bajo condiciones extremas de temperatura, presión, fuerza iónica, pH y solventes orgánicos. Además, estas enzimas pueden ser usadas como un modelo para diseñar y construir proteínas con nuevas propiedades de interés para determinadas aplicaciones industriales, a través de la manipulación genética de microorganismos.

Las principales industrias que se han visto beneficiadas con el uso de estas extremoenzimas son las productoras de detergente, la alimentaria, la textil, la peletera, la papelera y la farmacéutica. Los termófilos y los hipertermófilos son los grupos de extremófilos más estudiados; las enzimas que han sido aisladas de ellos han sido objeto de diversas investigaciones y aplicaciones industriales y biotecnológicas, ya que son extremadamente termoestables y generalmente resistentes a la acción de desnaturalizantes, detergentes, solventes orgánicos, y a la exposición a valores extremos de pH.