Domäne ARCHAEA. 1. Merkmale der Archaeen. - Membranlipide (Abb.) L-Glycerin Etherbrücken Isoprenoidketten Tetraether Cyclopentanringe

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1 Domäne ARCHAEA 1. Merkmale der Archaeen - Membranlipide (Abb.) L-Glycerin Etherbrücken Isoprenoidketten Tetraether Cyclopentanringe - Zellwand Pseudomurein / Pseudopeptidoglucan Surface (S)-Layer aus Proteinen - Stoffwechsel (Abb.) KDPG-Weg ohne Phosphorylierung und Nettoproduktion von ATP Gatt. Sulfolobus und Thermoplasma Pyrococcus furiosus oxidiert Glycerinaldehy-3-phosphat unter Nutzung von Ferredoxin anstelle von NAD + Energiegewinnung unter Bildung von Methan (Methanogenese) nur bei Archaeen; einzigartige Cofaktoren, die NAD, FAD und FMN ersetzen Phototrophie nur durch Protonenpumpen auf der Basis von Retinal - Struktur der Nukleinsäuren (Abb.) Reverse Gyrase bei Hyperthermophilen A. mit positivem supercoiling (Bacteria und Eukarya mit negativem supercoiling) besonders modifizierte Basen in t-rna (Guanosin-Analogon Archaeosin: 7- Desazaguanosinderivat mit Amidinrest an Position 7) - Genregulation (Abb.) Bestimmte trna-gene sind von Introns unterbrochen Ähnlichkeit der RNA-Polymerase: besitzt die beiden regulatorischen Proteine, die man auch in Eukaryoten findet: TATA-bindendes Protein; Transkriptionsfaktor B Histone: Histontetramer bei Methanothermus fervidus; Tetramer-Struktur homolog zu Eukarya; Histone inzwischen bei vielen A. gefunden 1

2 2. Phylogenie der Archaeen Schwierigkeiten: - Die meisten Archaeen wurden nicht kultiviert, sondern nur durch 16s-rRNA- Sequenzanalyse oder durch Metagenomanalysen bekannt. - Viele ihrer Genome sind hochgradig rekombinogen : So zeigen zwei Proben von Ferroplasma acidarmanus zu 99% identische 16s-RNA-Sequenzen, das Gesamtgenom unterscheidet sich aber zu 22% (intensiver horizontaler Genaustausch) - Viele früh vom Hauptstamm abgezweigte Kladen (stark abweichende 16s-RNA- Sequenzen) lassen sich womöglich mit unseren bisherigen Standard -Primern nicht erfassen und sind damit noch unbekannt. Crenarchaeota: - Biosignatur: Crenarchaeol (Abb.) - am besten untersucht: Klasse Thermoprotei (Schwefeloxidierer, ananerobe Schwefelreduzierer und Heterotrophe) - Inzwischen auch Mesophile und psychrophile Crenarchaeota bekannt A) Hyperhermophile (Tabelle) - Heiße Quellen und Geysire (Abb.) - Extreme Vielfalt an Temperaturen, Mineraliengehalten und Säuregraden - Ränder heißer Quellen: Reduzierte Mineralien (Sulfide u.a. in hoher Konz.) Niedriger Sauerstoffgehalt Steile Temperaturgradienten Säure (Oxid. Von Schwefel oder Eisen, die zu starken anorg. Säuren führen (z.b. Schwefelsäure) - Hydrothermale Schlote: hoher Druck; 100 bar pro Km Wassersäule Desulfurocoocales Keine Zellwand, aufwendige S-layer Diphytanylglycerinmembranen als Kombination aus Diethern und Tetraethern hohe Temperaturen begünstigen thermodynamisch die Schwefelreduktion: 2

3 Desulfurococcus mobilis (s. Tab.) Ignicoccus islandicus: ungewöhnliche Zellarchitektur mit großem periplasmatischen Raum; mariner Organismus ; bis 98 o C; lithotroph und oxidiert H2 mit Schwefel zu H2S (Abb.) Einschub: ATP-Gewinnung aus BioSpektrum Aerobe Ausnahme unter den Desulfurococcales; Aeropyrum pernix (s. Tabelle) barophile Hyperthermophile: Schwarze Raucher (Abb.); Wasser bei über 100 o C flüssig; Temp. Bis zu 400 grd, wodurch Minerale wie Fe (II) Sulfid (FeS) in hohen Konz. Gelöst sein können; Ausgestoßenes Wasser kühlt ab, wodurch FeS ausfällt, schwarze Wolken bildet und sich am Schlotrand ablagert (Name) Beispielorganismen: Pyrodictium abyssi; P. occultum, P. brockii (Energiegewinnung durch Schwefelreduktion mit H2 oder org. Molekülen) Bei Pyrodictium abyssi: Membranständiger S-reduzierender Komplex und ATP-Synthase in der Membran, die extrem hitzstabil sind und ein T- Optimum von 100 o C aufweisen Pyrodictium-Arten: fache, scheibenförmige Zellen (bis 0,1 µm dünn) Zellen haben Periplasma und S-Layer mit Zinksulfatüberzug, Zellscheiben sind über periplasmatische Verbindungen (Cannulae) mit einander vernetzt (Biofilmbildung) Abb. Thermosphera aggregans (Abb.) bildet sehr fest verbundene Kolonien, die nicht mit Protease oder Ultraschall aufgelöst werden können 3

4 Sulfolobales: Hohe Temperaturen und extreme Säure - Energiegewinnung durch Oxidation von Schwefel grd C in heißen Quellen und Solfotaren (vulkanische Schlote,die nur heiße Gase ausstoßen) - Sulfolobus sulfataricus: 80 grd C; ph 3 2S o + 3O2 + 2 H2O H2SO H+ + 2 SO4- - Doppelt extremophiler Organismus: hohe Temperatur und extreme Säure - Membran aus Tetraethern mit Cyclopentanringen (für Protonen außergewöhnlich undurchlässig) - Keine Zellwand sondern nur S-Layer aus Glykoproteinen - Sekretieren Toxine gegen konkurrierende MO - auch heterotrophes Wachstum auf Zuckern und AS (z.b. Tryptonmedium, ph 3) - Interner ph bei 6,5 - Annotation von Genen zum Zucker- und AS-Transport, zum nicht-atp-bildenden KDPG-Weg - Gene für Oxidation von HS -, S2O3 2- und S o - Hauptredoxcarrier: Ferredoxin (Stabilität) - Sulfolobus-Arten lassen sich leicht kultivieren - S. acidocaldarius benutzt 3 Replikationsurpsrünge - Archaeenviren bei S. entdeckt: Fuselloviren = ähneln Bakteriophagen in Größe und Funktion; Capside aber spindelförmig mit einem konusförmigen Ende (Abb) - Sulfolobus-Virus STIV (Sulfolobus turreted icosahedral virus) aus kochend heißer Säurequelle im Yelloston-Nationalpark isoliert Jedes ikosaedrische Viruspartikel hat 12 türmchenförmige Vorsprünge, ds DNA; DNA-Genom innerhalb des Capsids von Lipiden bedeckt; pyramidale Vorsprünge bei der Lyse (Anmerkung: bei Archaeen-Viren bisher nur ds DNA!!! gefunden) 4

5 Andere Thermophile Caldisphaerales: 80 grd; ph 3; aber im Gegensatz zu Sulforales anaerob bis mikroaerophil; wachsen durch Fermentation oder anaerobe Atmung Thermoproteales: Hyperthermoacidophile mit T bis zu 97 grd C und ph < 3 aus marinen Schloten; Stäbchenförmige Zelle weniger als 0,3 µm lang = kleinste bekannte Zelltypen Verwandte Art: Pyrobaculum islandicum : bis 103 grd C aber nur ph 5-7 B) Mesophile und Psychrophile Crenarchaeota Mesophile: Marine Crenarchaeota (Abb.) machen in 1000 m Tiefe ca- 40% der gesamten MO aus Die unkultivierbaren Mesophilen und Psychrophilen sind wahrscheinlich die vorherrschenden Arten der Creanarchaeota auf der Erde Psychrophile: Cenarchaeum symbiosum; symbiontisch mit Schwamm Axinella mexicana; Vorteil des MO für Wirt bisher unbekannt Mo auch aus Eis und Meerwasser bei 1,8 grd C; Antarktis; 20% der Isolate gehören zu den Crenarchaeota, DNA einer isolierten Einzelzelle mittel PCR amplifizieren und DNA-Bibliothek herstellen; Microarray-Analyse (Abb.) Wichtiges Habitat ist das marine Benthos (Meeresboden) bei ungefähr 2 grd C Temperatur Ammonium oxidierende Creanarchaeota (= ursprüngliches Phylum Thaumarchaeota?) Ordnung Nitrosopumilales Nitrosopumilus maritimus: oxidiert aerob Ammoniak zu Nitrit 2 NH3 + 3 O NO H H + oxidieren Ammonium noch bei extrem niedrigen Konzentrationen; damit wichtige Nitritquelle für das marine Phytoplankton diese Archaeen fixieren erhebliche Mengen CO2 (globaler Kohlenstoffkreislauf) 5

6 Euryarchaeota Methanogene (Tab.) - Große Anzahl unterschiedlicher Arten, die alle Energie unter Methanproduktion gewinnen - Alessandro Volta beschrieb als erste brennbare Luft - Methan aus unterschiedlichen Substraten: Kohlendioxid: CO2 + 4 H2O CH4 + 2 H2O Ameisensäure: 4 HCOOH CH4 + 3 CO2 + 2 H2O Essigsäure: CH3COOH CH4 + CO2 Methanol: 4 CH3ÓH CH4 + CO2 + H2O Methylamin: 4 CH3NH CH4 + CO2 + 4 NH3 Dimethylsulfid: 2 (CH3)2S CH4 + CO2 + 2 H2S - Die CO2 reduzierenden Methanogenen sind autotroph und wachsen mit CO2 und H2 sowie einer Stickstoffquelle und anderen Mineralien - Die Methanogenese aus anderen Kohlenstoffquellen ist heterotroph - Aus unbekannten Gründen fehlen den meisten Methanogenen alternative Stoffwechselwege, deshalb Syntrophie (metabolische Partnerschaft) mit Bakterien, die die Substrate liefern (fermentative Bakterien) und Leben in Lebensräumen, in denen CO2 und H2 gefangen bleiben - Methanogene können im Labor kultiviert werden, besondere Herausforderung bei hyperthermophilen Methanogenen wie Methanopyrus (aus Tiefseeschloten mit Wachstum bis zu 122 grd C (hohetemperatur und Druck erforderlich) - Thermophile und Hyperthermophile zweigen sich von verwandten Mesophilen ab, siehe z.b. Methanobacteriales (37 97 grd C) - Unterschiedliche Zellformen: Kokken, Stäbchen,Spirillen, Filamente, Abb. - Filamentöse Methanogene (Methanoseata spec.) binden bei der Abwasserbehandlung Bakteriengemeinsschaften (Methanotrix, Methanobrevibacter, Syntrophobacter) Abb. - Anaerobe Lebensräume für Methanogene Boden (Feuchtgebiete), z.b. Reisfelder Mülldeponien, Gasableitung erforderlich 6

7 Verdauungstrakt von Tieren, Rinder und Termiten; Termiten müssen Bau permanent belüften (Explotionsgefahr bei Blitzschlag) Pansen: die Methanogenese in den Rindern entzieht de Fleischerzeugung Kohlenstoff und trägt zur Erderwärmung bei Menschliche Verdauung: Methanobrevibacter smithii und Methanosphaera Stadtmannae (ca. 10% der Anaerobier im Darm), M. smithii verwertet Formiat und H2, wodurch die H2-Konzentration gesenkt wird; vermindert Inhibition der NADH-Dehdrogenasen von Bakterien; M. stadtmanae verbraucht Methanol, ein toxisches Nebenprodukt des bakteriellen Pektinabbau aus Früchten Marine Sedimente: Psychrophile marine Methanogene wachsen in oder am Meeresgrund; produziertes Methan wird unter dem hohen Druck des Wasser als Methanhydrat gefangen (Abb.); mögliche Erdgasquelle 80% des erzeugten Methans werden jedoch von anaeroben Methanoxidierern (ANME) der Gruppen ANME-1, -2 und -3 zu CO2 oxidiert; Diese oxidieren Methan in Syntrophie mit Schwefel reduzierenden Bakterien wie Desulfococcus; Sulfatreduktion und Methanoxidation führen für beide Organismen zu einem -DG Biochemie der Methanogenese Methanogenese aus CO2 und H2 ist eine Form der anaeroben Atmung mit H2 als Elektronendonator und CO2 als Elektronenakzeptor Dabei wird CO2 an den Cofaktor Methanofuran gebunden und der Kohlenstoff wird schrittweise von einem Cofaktor auf den nächsten übertragen, wobei jedes Mal ein Sauerstoff unter Wasserbildung verloren geht oder der Wasserstoff über einen anderen Cofaktor aufgenommen wird (Abb.) der erste Schritt ist an einen Transmembrangradienten (Na+) gekoppelt; Methanogene benötigen deshalb Natrium im Medium beteiligte Enzyme benötigen Übergangsmetalle : Nickel, Eisen, Molybdän, Wolfram, Cobalt die Methanogenese aus Acetat ist bei der Abwasserbehandlung besonders Wichtig, aber noch nicht vollständig verstanden 7

8 Halophile - extrem halophile Archaeen; Klasse Haloarchaea; Ordnung Halobacteriales - wachsen im gesättigten Salzwasser, z.b. Totes Meer oder Salzsee in Utha - Haloarchaea zweigen sich von den Methanogenen ab - Halophile wachsen als Photoheterotrophe, deren Photopigmente ihrem Lebensraum eine rote Farbe geben Form und Physiologie der Haloarchaea - Mindestens 1,5 M NaCl, optimal nahe der Sättigungsgrenze Minimum: 1,5 M (9%) NaCl; Optimum: 2-4 M (12.23%) Maximum: 5,5 M (32%=Sättigungsgrenze) - Photoheterotrophie (Retinal) - Baterioruberin (Photopigment) färbt die Salinen und Salzseen rot; schützt die Zellen vor Schäden durch Sonnenlicht - Kompensation des osmotischen Drucks durch hohe intrazelluäre KCl- Konzentration (ca. 5 M) In Bacteria nur ca. 200 mm - Hoher CG-Gehalt der DNA (meist über 60%) stabilisiert gegen Salz - Saure Proteine (Glutaminsäure, Asparaginsäure) führen zu außergewöhnlicher Dichte negativer Ladungen auf der Oberfläche der Proteine - Haliphile bei neutralem ph und Alkaliphile bei ph > 9 (Sodaseen) - Zellformen: Vielfalt (Symmetrische Stäbchen(Halobacterium), pleomorphe Zellen (flach wie Pfannkuchen), regelmäßig geformte Kokken (Haloferax); abgeflachte Quadrate (Haloquadratum walsbyi) - Feste Zellwände aus Glykoproteinen; Flagellen zur Phototaxis und Gasvesikel zum Schweben in oberen Wasserschichten; Vesikel aus Proteinen und mit Luft gefüllt 8

9 Lebensräume der Haloarchaea Thalassische Seen gesättigte Salzlösungen; Zusamensetzung wie Meerwasser Halobacterium Athalassische Seen Totes Meer; höhere Konzentationen an Magnesiumionen Haloarcula, benötigt 100 mm Mg; optimal 1 M Solare Salinen künstliche Teiche, die im Sonnenlicht verdunsten; Lichtabsorption (Erwärmung) der Halophilen begünstigt Austrocknung Salzlakesammlung in der Nähe geothermische Schlote, z.b. Golf v. Mexiko; unter den Ozeanen Rotes Meer, Mittelmeer; Salz tritt mit dem Wasser der Schlote aus; meiste MO noch nicht kultiviert Alkalische Sodaseen Magadisee in Kenia, Carbonate; ph > 9 Natronobacterium Antarktische Salzlakeseen erreichen Temperaturen bis 18 grd C; Halorubrum lacusprofundi Unterirdische Salzlager enthalten kleine Taschen mit salzgesättigtem Wasser, wo Halophile tausende von Jahren überleben Gesalzene Lebensmittel können von Halobacterium verdorben werden Photoheterotrophie mit Retinal - Lichtgetriebene Energiegewinnung ergänzt die Atmung auf Basis komplexer Kohlenstoffverbindungen Aerobe Atmung mit Sauerstoff; anaerobe A. mit Nitrat - Transmembranproteine: Bakteriorhodopsin und Halorhodopsin (Abb.) - 7 Alpha-Heclices, die die Membran durchspannen und ein Retinalmolekül umgeben (entspricht Photorezeptoren des menschlichen Auges) 9

10 - Die Absoption von Licht löst eine Konformationsänderung aus, die die Aufnahme eines Protons auf Cytoplasmaseite durch einen Aspartat-Rest des Bakteriorhodopsins ermöglicht; Proton wird schließlich auf der Außenseite freigesetzt - Halorhodopsin hat eine ähnliche Struktur; es wird jedoch Chlorid in die Zelle gepumpt; erhöht das Protonenpotential; exklusives Merkmal der Haloarchaea - Zusätzliche Bakteriorhodopsine, die als Sensorrhodopsin I und II dienen und die Bewegung der Flagellen steuern: I dirigiert in Richtung Rotlicht; II vom blauen oder UV-Licht weg (Abb.) Anwendungen der Haloarchaea - Photoschalter aus Bakteriorhodopsin (Modellsysteme in experimentellen elektronischen Schaltkreisen) - Antibiotika (Halocine) - Gasvesikel zur Präsentation von Antigenen; Fusionsproteine, die Antigenpeptide enthalten. Gasvesikel werden aus den Zellen aufgereinigt Thermophile und Acidophile Ordnung Thermococcales - Gattungen Thermococcus und Pyrococcus - aus submarinen Sulfataren, vulkanischen Schloten - anaerobe Fermentierer komplexer Kohlenstoffquellen; zusätzlich anaerobe Atmung mit elementarem Schwefel als Elektronenakzeptor - Wachstum bei > 90 grd C; Pyrococcus woesei bis 105 grd C - Quelle für sog. Vent-Polymerasen für die PCR aus Pyrococcus furiosus und Thermococcus litoralis Vent-Polymerasen ermöglichen Denaturierung bei höheren Temperaturen und Synthese GC-reicher Sequenzen - Pyrococcus abyssi mit besonders großer Homologie zum Apparat der DNA-Replikation, Transkription und Proteintranslation der Eukaryoten 10

11 (Primase, Helikase, Endonuclease) - Phosphat-unabhängige Glycerinaldehyd-3-phosphat-Ferredoxin- Oxidoreduktase - Pyrococcus haben Enzyme, die Wolfram benötigen - Protonengradient und ATP-Synthase sind an einen Na + /H + -Antiport gebunden Archaeoglobus fulgidus - Hyperthermophil (75 grd C; reduziert Sulfationen; besitzt Abbauweg von Acetyl-CoA mit einer reversen Methanogenese: Umwandlung von der Methylgruppe von Acetat in CO2; die Energie für diese Umkehrung wird aus der Fermentierung von Kohlenhydraten und der anaeroben Atmung mit Sulfat gewonnen (Abb.) Ordnung Thermoplasmatales - Thermophile und Acidophile ohne Zellwand und S-Layer, nur mit Zellmembran Wie die Zellform erhalten wird, ist unklar - Thermoplasma acidophilum: 59 grd C; ph 2; aus sich selbsterwärmenden Kohleabfällen isoliert - Zellen haben Flagellen, aber wie Drehmoment ohne Verankerung in Zellwand entsteht ist unklar - Schwefelatmung mit organischen Molekülen - Genom nur 1,5 Mio. Basenpaare = eines der kleinsten Genome freilebender Organismen - Hinweise auf horizontalen Gentransfer aus Sulfolobus - Ferroplasma acidarmanus wächst in Minen mit Eisenpyriterzen (FeS2) 11

12 oxidiert Schwefel zu Schwefelsäure; Reaktion erzeugt ph-werte unter 0 (1 M H + ) bei einem solchen ph löst sich eine Metallschaufel innerhalb eines Tages auf - Amorphe Zellen wachsen in Biofilmen, die im Minenabwasser schleimige Bänder bilden (Abb.) Nanoarchaeota - Nanoarchaeota sind die kleinsten bekannten Euryarchaeota - Bisher ist nur eine Art bekannt: Nanoarchaeum eqitans - Obligate Symbionten des Crenarchaeoten Ignicoccus hospitalis - Anbindung an Wirtszelle über bisher unbekanntes Makromolekül - Wirtszelle kann bis zu 20 der kleineren Zellen beherrbergen - Das Genom von Nanoarchaeum ist mit 0,5 Mb sehr klein; - Frage: Symbiont oder Parasit ist noch ungeklärt; Wirt kann auch allein leben Ursprüngliche Gruppen - Eine tief abzweigende Gruppe ist die Altertümliche Archaeengruppe (Ancient Archaeal Group, AAG) aus hyperthermophilen Organismen; - Zu den AAG gehören die Korarchaeota - Korarchaeum cryptophilum wächst in Form langer Filamente mit weniger als 200 nm Durchmesser 12

13 Leben bei hohen Temperaturen (Abb. Rekordhalter) Proteinfaltung und Thermostabilität - Bei Aminosäuresequenz keine großen Unterschiede, aber hydrophobe Kerne, die Enfaltungstendenz verringern; - Faltung selbst ist verändert - Hyperthermophile Archaeen bilden besondere Klassen von Chaparonen Pyrodictium abyssi: Proteinkomplex=Thermosom, verantwortlich für korrekte Faltung bei hohen Temperaturen; wird bei Temperaturen über Wachstums-Optimum (110 grd C) besonders viel gebildet Zellen bleiben nach Hitzeschock (z.b. 1h Autoklavieren) lebensfähig, da das Thermosom eine ausreichende Anzahl von denaturierten Schlüsselproteinen zurückfaltet DNA-Stabilität - Methanopyrus enthält molare Mengen von zyklischem Kalium- 2,3- Diphosphoglycerat, die DNA vor chem. Beschädigung schützen - Polyamine Putrescin und Spermidin stabilisieren Ribosomen und Nukleinsäuren bei hohen Temperaturen - Alle Hyperthermophilen (Optimum >80 grd C) bilden eine reverse DNA-Gyrase,; führt positive Überspiralisierungen in DNA ein; - Sulfolobus: kleines hitzestabiles DNA-Bindeprotein (Sac7d) erhöht die Schmelztemperatur um ca. 40 grd C. - Bei Euryarchaeota: archaeelle Histone verpacken die DNA zu Nucleosomenähnlichen Strukturen( z.b. Methanothermus fervidus) Lipidstabilität i.d.r. Diphytanyltetraether 13

14 Stabilität der Monomere ATP und NAD+ hydrolysieren bereits bei 120 o C in bedeutenden Mengen (Halbwertszeit: < 30 min. ; Messungen in Wasser!!!) Temperaturgrenze des mikrobiellen Lebens - Temperaturgradienten in black smokern von grd C innen zu 2 grd C außen; das überhitze Wasser selbst ist steril! - ATP wird bei 150 grd C sofort abgebaut; Leben über 150 grd C müsste Energie anders als über ATP konservieren - Hyperthermophile Archaeen mit langsamer evolutionärer Entwicklung; kurze Abzweigungen nahe der Baumwurzel Jede Mutation darf die Hitzestabilität nicht negativ beeinträchtigen! Weitere Steigerung der Fitness damit limitiert - Viele Hyperthermophile wachsen anaerob mit H2 als Elektronendonator und einem oder mehreren Elektronenakzeptoren (S o, NO3 -, Fe 3+ oder O2); H2-Metabilismus ist wahrscheinlich physiologisches Relikt früher metabolischer Systeme (gute Verfügbarkeit von H2 und Elektronenakzeptoren) 14