Archaea: Um mundo microbiológico ainda por descobrir
A archaea é um organismo microscópico, (tamanho entre 0,1 μm a mais de 15 μm), que pode ter flagelos. As suas células são rodeadas por uma cobertura (parede celular) com lípidos de membrana muito diferentes de outras formas de vida, tais como bactérias ou eucariotas, o que lhes confere alta resistência a condições extremas. A sua dieta é também muito diferente da das bactérias, uma vez que beneficiam de compostos inorgânicos tais como hidrogénio, dióxido de carbono, álcoois, enxofre, ferro, entre outros.
No passado, as archaeas eram classificadas como bactérias, como procariotas, enquadradas no antigo reino Monera e eram conhecidas como arquebactérias, mas esta classificação já não é utilizada. Na verdade, as archaeas têm uma história evolutiva independente e mostram muitas diferenças na sua bioquímica em comparação com outras formas de vida, pelo que foram classificadas num domínio separado.
A relação entre os três domínios é de grande importância quando se trata de compreender a origem da vida. A maioria das vias metabólicas, que envolvem a maioria dos genes de um organismo, são comuns entre arquebactérias e bactérias, e a maioria dos genes envolvidos na expressão do genoma são comuns entre arquebactérias e eucariotas. Em procariotas, a estrutura da membrana da archaea é muito semelhante às bactérias Gram-positivas, principalmente porque ambas têm uma camada lipídica. Em árvores filogenéticas baseadas nas sequências de diferentes genes/proteínas de equivalentes procariotas, os homólogos arqueológicos estão mais próximos dos das bactérias Gram-positivas.
Gupta sugere que a arquebactéria evoluiu de bactérias Gram-positivas em resposta a uma pressão seletiva exercida por antibióticos libertados por outras bactérias. Esta ideia é apoiada pelo facto de as archaeas serem resistentes a uma grande variedade de antibióticos produzidos principalmente por Gram-positivos, e estes antibióticos atuam em grande parte sobre genes que distinguem as archaeas. A sua proposta é que a pressão seletiva para a resistência aos antibióticos gerada pelos antibióticos Gram-positivos foi finalmente suficiente para causar alterações importantes em muitos dos genes visados pelo antibiótico, e que as estirpes destes microrganismos representaram o antepassado comum da atual archaea.
A evolução da archaea em resposta à seleção por antibióticos, ou qualquer outra pressão seletiva competitiva, poderia também explicar a sua adaptação a ambientes extremos (como alta temperatura ou acidez) como resultado de uma procura de nichos ecológicos desocupados para escapar aos organismos produtores de antibióticos. A proposta de Gupta sobre a relação entre proteínas estruturais e estudos que sugerem que as bactérias Gram-positivas podem ser uma das linhagens que primeiro se ramificaram em procariotas é também apoiada por outras pesquisas.
No domínio das archaeas, é admitida a existência de cinco grupos evolutivos (de acordo com a análise do RNA ribossómico). Destes grupos, Crenarchaeota (incluindo hipertermófilos, acidófilos, redutores e/ou oxidantes de enxofre e quimiolito-heterotrofos) e Euryarchaeota (incluindo microrganismos metanogénicos, termoacidófilos e hiperhalofílicos), estão a ser estudados com maior intensidade. A classificação das archaeas ainda é difícil, porque a maioria delas nunca foi estudada em laboratório e só foram apenas detetadas após análise dos seus ácidos nucleicos em amostras retiradas do ambiente.
A archaea e as bactérias são bastante semelhantes em tamanho e forma, embora a archaea tenha formas muito invulgares, redondas, achatadas, alongadas ou filamentosas até 200 μm, ou pode mesmo formar colónias filamentosas macroscópicas. Apesar desta semelhança visual com as bactérias, as arquebactérias têm genes e várias vias metabólicas que estão mais próximas das dos eucariotas, especialmente nas enzimas envolvidas na transcrição e tradução. Outros aspetos da bioquímica das arquebactérias são únicos, tais como os éteres lipídicos das suas membranas celulares, o que lhes confere uma resistência muito maior, por exemplo, a temperaturas elevadas. Os arquebactérias exploram como nutrientes uma variedade de recursos muito maior do que os eucariotas, desde compostos orgânicos comuns, tais como açúcares, ao amoníaco, enxofre, iões metálicos ou mesmo hidrogénio. Os arquebactérias tolerantes ao sal (halobactérias) utilizam a luz solar como fonte de energia, e outras espécies de arquebactérias sequestram carbono. No entanto, ao contrário das plantas e das cianobactérias, não há arquebactérias conhecidas capazes de ambas. As arquebactérias reproduzem-se assexualmente e dividem-se por fissão binária, fragmentação ou brotação. Ao contrário das bactérias e eucariotas, não se conhecem espécies de arquebactérias que formam esporos.
A Archaea pode viver em muitos habitats e estima-se que possam formar até 20% da biomassa da Terra. Inicialmente, as arquebactérias eram todass considerados extremófilos que viviam em ambientes hostis, tais como águas termais e lagos salgados, ambientes ácidos, alcalinos… mas a realidade é que as arquebactérias são encontradas nos mais diversos habitats, tais como solo, oceanos, pântanos e no cólon humano (arquebactérias mesófilas). As archaeas são especialmente numerosas nos oceanos, e as archaeas planctónicas poderiam ser um dos grupos de organismos mais abundantes do planeta. São atualmente considerados uma parte importante da vida na Terra e poderiam desempenhar um papel importante tanto no ciclo do carbono como no ciclo do azoto.
Não são conhecidos exemplos claros de archaeas patogénicas ou parasitárias, mas são geralmente mutualistas ou comedores. As archaeas metanogénicas são exemplos que vivem em intestinos humanos (Methanobrevibacter smithii), onde poderiam atuar como mutualistas interagindo com outros microrganismos para contribuir para a digestão dos alimentos, como acontece nos ruminantes, onde estão presentes em grandes quantidades e contribuem para a digestão dos alimentos. Também foram encontrados em térmitas, corais. Tal como acontece com os microrganismos patogénicos nos seres vivos, só foi considerado o envolvimento de archaeas com infeções orais.
Para que pode a archaea ser utilizada?
As archaeas têm o seu significado na tecnologia. As condições extremas em que estes microrganismos se podem desenvolver foram estudadas em profundidade, e observou-se que isto é possível graças a certas enzimas. Por esta razão, algumas destas enzimas estão atualmente a ser usadas para conduzir reações em condições extremas. Algumas archaeas metanogénicas são utilizadas para tratar águas residuais em estações de tratamento, realizando digestão anaeróbia de resíduos, produzindo biogás. As enzimas archaeas extremas são capazes de resistir a temperaturas elevadas. Podem fazer a sua função a mais de 100ºC, pelo que os alimentos podem ser processados a altas temperaturas (leite de baixa lactose ou soro de leite). As enzimas de archaeas termófilas também tendem a ser muito estáveis em solventes orgânicos, pelo que podem ser utilizadas numa vasta gama de processos de síntese de compostos orgânicos amigos do ambiente.
Graças à biotecnologia, novos microrganismos que produzem enzimas capazes de resistir às condições drásticas dos processos industriais estão constantemente a ser procurados. Menos de 1% dos microrganismos existentes foram estudados, pelo que se estima que existam milhões deles ainda por descobrir, a maioria dos quais encontrados em ambientes em que as condições de crescimento são extremas e impossíveis para outros organismos (microrganismos extremófilos, psicrofílicos, hipertermofílicos, osmófilos, alcalófilos…). Estes microrganismos são, sem dúvida, uma fonte potencial de novas enzimas. Por exemplo, os psicrofílicos sintetizam enzimas com modificações bioquímicas que lhes permitem operar a baixas temperaturas, assim como moléculas que reduzem o ponto de congelação da água dentro da célula. Uma nova classe de antibióticos potencialmente úteis é derivada deste grupo de organismos. Oito destas substâncias já foram caracterizadas, mas poderia haver muitas mais, especialmente em Halobactérias. Estes compostos são importantes porque têm uma estrutura diferente da dos antibióticos bacterianos, pelo que podem ter um modo de ação diferente. Além disso, poderiam permitir a criação de novos marcadores selecionáveis para serem utilizados na biologia molecular das arquebactérias. A descoberta de novas substâncias depende da recuperação destes organismos do ambiente e da sua cultura.
A grande biodiversidade existente entre os microrganismos extremófilos e a sua capacidade de sintetizar proteínas e enzimas, ativos nestas condições extremas, abriu um panorama promissor em biotecnologia, uma vez que uma grande proporção dos processos industriais tem lugar sob condições extremas de temperatura, pressão, força iónica, pH e solventes orgânicos. Além disso, estas enzimas podem ser usadas como modelo para conceber e construir proteínas com novas propriedades úteis para determinadas aplicações industriais, através da manipulação genética de microrganismos.
As principais indústrias que têm beneficiado da utilização destas enzimas extremas são os produtores de detergentes, alimentos, têxteis, couro, papel e farmacêuticas. Termófilos e hipertermófilos são os grupos de extremófilos mais estudados. As enzimas que foram isoladas deles têm sido objeto de várias investigações e aplicações industriais e biotecnológicas, uma vez que são extremamente termoestáveis e geralmente resistentes à ação de desnaturantes, detergentes, solventes orgânicos, e exposição a valores extremos de pH.
