อาร์เคีย (Archaea) แบคทีเรีย

อาร์เคีย (Archaea)

                                            Archaea [Gr. Archaios, ancient]
· เป็นได้ทั้ง Gram Positive or Negative และมีหลายรูปทรง  บางชนิดเป็นเซลล์เดียว 
    บางชนิดมี filaments หรือ aggregates ได้
· ขนาด 0.1 – มากกว่า 15 mm
· เป็นได้ทั้งชนิด aerobic, facultatively anaerobic หรือ aerabic
· Archaea  มักจะพบในที่ที่ extreme aquatic และ terrestrial habitats
· พบบ่อยในที่ที่เป็น anaerobic, hypersaline or high temperature environments
· เร็วๆ นี้มีการค้นพบ archaea  ที่อาศัยที่ภาวะอุณหภูมิต่ำ 34 % ( biomass)  of  procaryotes in coastal Antarctic surface waters เป็น → Archaea

Archaea cell walls

· Gram–positive archaea ® ผนังเซลล์หนาเหมือน Gram–positive bacteria ® ย้อมสีติด Gram–Positive

· Gram–negative archaea ® ไม่มี outer–membrane แต่มี protein หรือ glycoprotein subunits ที่ cell wall
· Archaea ไม่มี muramic acid และ D–amino acids ที่เป็นโครงสร้างประกอบของ peptidoglycan ในแบคทีเรีย
· ดังนั้น เหตุนี้เอง archaea จึงดื้อต่อ Lysosome และ antibiotic ในกลุ่ม β-lactam เช่น penicillin
· Methanobacterium มี cell wall ที่มี pseudomurein (หรือ pseudopeptidoglycan: a peptidoglycan-like polymer)
· Methanosarcina และ Halococcus  ไม่มี pseudomurein แต่จะมีสารประกอบของ polysaccharides  ซึ่งเหมือน chondroitin sulfate ที่พบใน animal connective tissue

Archaeal Lipids and Membranes
· คุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุดของ archaea คือ membrane lipids
· archaeal membrane lipids ต่างจาก bacteria และ eucaryotes ตรงที่มี branched chain hydrocarbons  ต่อกับ glycerol และเชื่อมด้วย ether links แทนที่จะต่อกับ fatty acids และเชื่อมด้วย ester links
· บางครั้ง 2 glycerol groups จะจับกันได้เป็น long tetra ether
· พบ Polar lipids เช่น phospholipids, sulfolipids และ glycolipids ใน archaea
· 7–30 % ของ membrane lipids เป็น non-polar lipids ซึ่งมักจะเป็น derivatives ของ squalene 
· nonpolar lipids  นี้สามารถใช้สร้าง membrane ได้ความแข็งแรงและความหนาต่างๆ  กัน  ดังเช่น  C₂₀ diether ซึ่งจะใช้สร้าง bilayer membrane ทั่วไปใน archaea
· และ C₄₀ tetraether lipids → ทำให้ผนังเซลล์แข็งแรง membrane lipids นี้มีอยู่ใน thermoplasma  และ sulfolobus → archaea ที่เป็น extreme thermophiles

Genetics  and  Molecular  Biology
· Archaea genetics → คล้ายกับแบคทีเรีย
· DNA size ประมาณ » E. coli = 2.5 X10⁹ daltons
· G + C content → 21–68 mol%
· พบ plasmid น้อยมาก
· TyC arm ของ  archaeal tRNA ไม่มี thymine
· DNA–dependent RNA polymesaes เหมือน eucaryotic → complex, ไม่ตอบสนองต่อยาปฏิชีวนะ rifampin และ streptolydigin

Metabolism
· archaea → เป็น organotrophs, autophs   มีบาง specics เป็น phototrophs
· archaea → ไม่มี 6–phosphofructokinase
· Embden–Meyerhof pathway ของ archaea จะต่างออกไป
· ยังไม่มีการค้นคว้าว่ามี Methanogen ใดที่มี TCA cycle ที่สมบูรณ์
· Methanageus และ extreme thermophiles → เป็น autotrophy
· Thermoproteus และ Sulfolobus → CO₂ fixation โดยใช้ TCA  cycle
· Methanogen และ extreme thermophiles  → สังเคราะห์ qlucose จาก CO₂ โดยใช้ acetyl–COA  pathway 

Archaea  Taxonomy
· ตาม rRNA sequence  → archaea → มี 2 phyla คือ

      1. Euryarchaeota [Gr, eurus = wide, archaios = ancient or primitive]

          มี 7 Class คือ Methanobacteria, Methanococci, Halobacteria, Thermoplasmata, Thermococci, 
          Archaeglobi และ Methanopyri

      2. Crenarcheota [Gr, crene = spring or fount, archaios] มี 1 class คือ Thermoprotei (ซึ่งมี 3 orders)

Phylum  Crenarchaeota

·   เป็น extreme thermophiles

·   ส่วนมากเป็น  acidphiles และ sulfur dependent

·   sulfur  ถูกใช้เป็น electron acceptor ใน anaerobic respiration  หรือเป็น eletron source ใน lithotrophs

·   ส่วนมากเป็น anaerobes

·   เจริญในที่ที่มี sulfur เช่น sulfur–rich hot springs, ปล่องภูเขาไฟ ® ที่เรียกว่า solfatara 

·   เช่น  Phrodietlum, Pyrodictium  (optima temperature  สำหรับการเจริญเติบโตที่ 105^oC)

·   มี  24 genera  มีการศึกษารายละเอียดไว้มากคือ Thermoproteus กับ Sulfolobus

          Genus Sulfolobus

          ·   Gram–negative, aerobic, รูปร่างบิดเบี้ยว, 
                  อุณหภูมิที่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโตคือที่ 70 – 80 ^oC  และ pH  ที่ 2 - 3       

          ·   เป็น  thermoacidophiles

          ·   ผนังเซลล์ประกอบด้วย  lipoprotein และ  carbohydrate  ไม่มี  peptidoglycan

          ·   Oxygen  เป็น  electron  acceptor  แต่  ferric  iron  ก็สามารถเป็นได้เช่นกัน

          ·   ใช้ Sugars,  amino acids  (เช่น glutamate) → เป็น carbon and energy sources

          Genus  Thermoproteus

          ·   รูปแท่งยาว  งอได้  หรือเป็นแขนงแตกออกได้

          ·   ผนังเซลล์  ประกอบด้วย  glycoprotein

          ·   เป็น  anaerobes  โตที่ temperature 70 – 97^oC, pH 2.5 – 6.5

          ·   พบตามน้ำพุน้อน (hot springs) และน้ำร้อนที่มี sulfur

          ·   สามารถโตได้ในอาหารที่มี glucose, aminoacids, alcohols และ organic acids ที่มี sulfur (ใช้เป็น electron acceptor) 

          ·   CO หรือ CO₂ สามารถเป็น  sole carbon source ได้

Phylum  Euryarchaeota

มีหลายคลาส (classes), orders และ families ในที่นี้จะพูดถึง 5 กลุ่มคือ

1) Methanogens

·  เป็น anaerobes

·  สามารถเปลี่ยน CO₂, H₂, formate, methanol, acetate และสารอื่นๆ ให้เป็น methane หรือ methane กับ CO₂ เพื่อใช้เป็นพลังงานได้   

·   เป็น autotrophic เมื่อเจริญกับ H₂ และ CO₂

·   กลุ่มที่ใหญ่ที่สุดใน euryarchaeota มี 5  orders คือ 

Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales และ Methanopyrales  มี 26  genera

·   แต่ละ genera มีรูปแบบต่างๆ  กันไป และส่วนประกอบของผนังเซลล์ต่าง ๆ กัน

·   ตัวอย่าง เช่น Methanopyri  อยู่ใน  order → Methanopyrales  เป็น rod shaped methanogen  ได้มาจากน้ำพุร้อนใต้มหาสมุทร  Methanopyrus  kandleri → สามารถโตได้ที่ temperature 110^oC  คาดว่าเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีอยู่ตั้งแต่เมื่อโลกยังมีอายุน้อย

·   methanogens  มี  cofactors ชนิดพิเศษ เช่น tetrahydromethanopterin (M₄MPT), methanofuran (MFR) , Coenzyme M (2–mercaptoethanesulfonic acid), coenzyme F₄₂₀ และ  Coenzyme F₄₃₀

·  ATP synthesis สัมพันธ์กับ methanogenesis (โดย electron transport, proton pumping  และ  chemiosmosis mechanism)

·   Anaerobic microbes ย่อยสลายของเสียจากท่อระบายน้ำเป็น H_2, CO₂ และ acetate 

·   CO2–reducing methanogane สังเคราะห์ CH₄ ด้วย CO₂ + H₂

·   Aceticlastic methanogens ย่อย actate เป็น ® O₂ + H₂O (2/3 ของ methane ที่ผลิตออกมา)

·   สามารถเป็น pollution–free energy ได้ ® future research

·   methane = green house gas ® ให้เกิดโลกร้อน (global warming)

2) Halobacteria

·  15  genera

·  เป็น extreme halophiles

·   aerobic, chemoheterotrophs

·   มีทั้ง nonmotile และ motile  species

·   *** เจริญเติบโตที่ที่มีความเข้มข้นสูงของ NaCl  (17–23 % w/v)  สามารถโตที่  NaCl  36 % ได้

·   cell wall จะไม่สามารถอยู่ได้ที่ความเข้มข้นของ NaCl ประมาณ  1.5 M

·   เจริญในทะเลสาบที่มีความเค็มมากๆ  

·   มักจะมี pigment สีแดงถึงเหลืองจาก carotenoids (ป้องกัน UV)  ถ้าเจริญเติบโตจนมีจำนวนประชากรมากๆ ในทะเลสาบจะเห็นเป็นสีแดง

·   ที่มีการศึกษากันมาคือ  Halobacterium  salinarium  (H. halobium)  ซึ่งสามารถสังเคราะห์แสงได้โดยไม่จำเป็นต้องมี  chlorophyll    บาง species เมื่ออยู่ในสภาวะที่มี O₂ ต่ำ จะมีการปรับปรุง cell wall เป็น  purple  membrane  ซึ่งมีโปรตีนชื่อ bacteriorhodopsin อยู่  ซึ่งใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสง → proton pumping → ATP synthesis → chemiosmosis

3) Thermoplasms

·   เป็น Thermoacidophiles  ที่ไม่มี cell wall

·   2  genera คือ Thermoplasma และ Picrophilus

Thermoplasma

· โตในกองถ่านหินที่มี iron pyrite (FeS2) ซึ่งจะถูก  oxidized  ไปเป็น sulfuric acid โดย chemolithotrophic  bacteria ทำให้กองถ่านหินนี้มีสภาวะเป็นกรดและร้อน  ซึ่งเป็นสภาวะที่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโตของ  Thermoplasma (55–59 ^oC, pH 1-2)

· ไม่มี cell wall แต่ plasma membrane →   แข็งแรงได้เพราะมี diglycerol tetraethers, lipopolysaccharides  และ glycoproteins  จำนวนมาก

· DNA  สามารถทนสภาวะสุดขั้วได้  เนื่องจากจะพันอยู่กับ histonelike protien เหมือนกับ eucaryotic chromosome และที่ 59 ^oC Thermoplasma  เปลี่ยนรูปจากกลมเป็นบิดเบี้ยวและสามารถเคลื่อนที่ได้

Picrophilus

· isolated  จาก solfataric fields  ในญี่ปุ่น

· ไม่มี cell wall  แต่มี  S–layer ที่ plasma membrane 

· cocci  บิดเบี้ยว, มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 1–1.5 mm 

· มีช่องว่างใหญ่ภายใน cyloplasm เป็นแบบ non–membrane bounded

· aerobic, เจริญเติบโตที่ 47 – 65 ^oC, เจริญเติบโตที่ optimal pH 0.7  ปกติการเจริญเติบโตจะเกิดขึ้นที่  pH 0 !

4)  Extremely thermophilic sulfur metabolizers

          เป็น class  Thermococci → 1 order คือ Thermococcales

Thermococcales

· Strictly anaerobic

· สามารถ reduce sulfur → sulfide

· มี  flagella

· เจริญเติบโตได้ดี (optimal growth)  ที่  temperature  88–100 ^oC

· มี 1 family  และ  2 genera คือ Thermococcus และ Pyrococcus

5) Sulfate – reducing  archaea

เป็น Class Archaeoglobi, Order Archaeoglobales

มี 1  family 1 genus คือ Archaeoglobus

·   เป็น grame–negative

·   รูปร่าง irregular coccoid  

·   มี cell wall ที่มี → glycoprotein subunits 

·   สามารถใช้  electron จาก  H₂, lactate หรือ glucose เพื่อรีดิวซ์ (reduce)

sulfate (SO 2−), sulfite หรือ thiosulfate (S2O3 2-) ไปเป็น → sulfide (H2S)

·   Archaeoglobus →  เจริญเติบโตเหมาะที่สุดที่ 83 ^oC  แยกเชื้อมาจากน้ำพุร้อนใต้มหาสมุทร

·   นอกจากสามารถ  reduce sulfate ได้แล้ว  ยังมีส่วนประกอบของ methanogen coenzyme F420 และ methanoptrine  

.................................................................