Archaea vs Batteri: troviamo le differenze! / Archaea vs Bacteria: we find the differences!

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Quando si parla di microrganismi si è soliti pensare a batteri, virus e protozoi. Tuttavia esiste un’ulteriore categoria di microrganismi, gli Archaea, i quali presentano, oltre ad una classificazione ancora controversa, anche delle notevoli differenze con i Batteri e delle caratteristiche che li rendono unici.

Iniziamo cercando di inquadrare gli Archaea partendo dalla classificazione, che risulta piuttosto complessa (Fig.1): quella attualmente più accettata è la classificazione presentata da Cavalier-Smith (2004, rivisitata nel 2010), secondo cui gli Archaea sono microrganismi procarioti facenti parte di un Regno a sé stante, tuttavia altre classificazioni rendono questo gruppo tassonomico addirittura un Dominio a parte (Woese 1990).

Fig.1: le diverse classificazioni dei viventi negli anni. / the different classifications of living beings over the years.

Ma perchè risulta così difficile classificarli? Vediamo di scoprire prima le similitudini con i Batteri, e successivamente le differenze.

Gli Archaea sono, così come i batteri, sprovvisti di nucleo e compartimentalizzazioni interne (mancano cioè degli organuli tipici della cellula Eucariota), ma sono invece presenti vescicole che si originano dalla membrana. La grandezza, piuttosto simile a quella dei Batteri, rientra nel range 0,1-15m. Tali microrganismi si riproducono esclusivamente in maniera asessuale, anche se sono presenti meccanismi di trasferimento genico orizzontale (TGO), attraverso il quale una cellula trasferisce del materiale genetico ad un’altra senza che questa ne sia la diretta discendente.

Terminate le similitudini, iniziamo ad analizzare le differenze tra Archebatteri (gli Archaea) e gliEubatteri (o Bacteria, i Batteri) partendo dall’esterno della cellula, scendendo poi man mano verso l’interno.

A livello della parete cellulare, la differenza riguarda il tipo di molecola maggiormente rappresentato, che è il peptidoglicano nei batteri (in percentuale variabile a seconda che il batterio preso in esame sia Gram + o Gram -) e lo pseudo-peptidoglicano negli Archaea. Il peptidoglicano è un polimero di due aminozuccheri: l’N-acetilglucosamina (NAG) e l’acido N-acetil-muramico (NAM), legati tra loro da un legame (1-4) glicosidico. Il NAM si differenzia dal NAG per la presenza sul C3 del glucosio di un residuo di acido D-lattico legato da un lato al carbonio appena nominato tramite un legame etere (C-O-C), e dall’altro ad un tetrapeptide (solitamente L-alanina, acido D-glutammico, acido meso-diaminopimelico e D-alanina).

Dal canto loro gli Archaea fanno dello pseudopeptidoglicano il componente fondamentale. Questo è formato da due aminozuccheri: il NAG e l’acido N-acetil-talosaminuronico (NAT) legati tra loro da un legame (1-3) glicosidico. Altra differenza riguarda gli amminoacidi legati al NAT, tutti in forma L.

Scendendo di uno strato verso l’interno troviamo la membrana cellulare. Qui le differenze tra la membrana batterica e quella degli Archaea sono tre: la chiralità (in chimica, quando una molecola non è sovrapponibile alla propria immagine speculare nelle tre dimensioni, Fig.2) del glicerolo che forma i fosfolipidi, il tipo di legame tra glicerolo e catena alifatica e il tipo di catena alifatica.

Fig.2: chiralità. Il classico esempio delle mani che non sono sovrapponibili tra loro. / chirality. The classic example of hands that are not overlapping each other

Nella membrana cellulare batterica (ed eucariota) i fosfolipidi sono formati da una testa polare di D-glicerolo-3-fosfato a cui seguono, legate tramite legame estere, due catene di acidi grassi; negli Archaea il glicerolo si presenta sotto forma di L-glicerolo (diversa chiralità), legato tramite legame etere (diverso legame) a due catene di isoprenoidi (diverse catene alifatiche). Possono inoltre essere presenti dieteri (fitanile) o tetraeteri (difitanile) del glicerolo (Fig.3).

Fig.3: differenze tra i fosfolipidi di membrana tra Batteri e Archaea / differences between membrane phospholipids between bacteria and Archaea

Scendendo ulteriormente arriviamo al genoma e agli enzimi ad esso associati. Qui le differenze riguardano gli introni, la RNA-polimerasi (RNA-pol) e il tRNA di inizio della sintesi proteica.

Gli introni formano, assieme agli esoni, i geni; tuttavia di questi solo gli esoni codificano per una proteina, in quanto gli introni vengono eliminati subito dopo la trascrizione tramite un meccanismo chiamato splicing. Questa introduzione per dire che negli Archaea gli introni sono presenti (anche se non su tutti i geni); quindi in questo caso questi microrganismi sono più simili agli eucarioti di quanto non lo siano ai batteri!

Ma le similitudini non finiscono qui, infatti anche l’unica RNA-pol degli Archaea è simile alla RNA-pol II degli eucarioti, con i fattori di trascrizione di un gene (cioè proteine che si legano in una specifica zona del gene e ne regola l’attività) che svolgono attività simile. Va detto anche che sono comunque presenti dei fattori di trascrizione simili a quelli batterici.

Infine parliamo del tRNA d’inizio degli Archaea. Esattamente come quello eucariotico, il tRNA in questi microrganismi è il tRNA_i^Met , ossia il tRNA portatore della metionina, l’amminoacido da cui parte la traduzione. I Batteri invece utilizzano una forma del tRNA_i^Met modificata, il tRNA_i^fMet , ossia la N-formilmetionina.

Come avrete certamente capito, gli Archaea sono degli organismi piuttosto particolari, con delle caratteristiche “ibride” tra i Batteri e gli eucarioti… Un mondo tutto da scoprire!

Fig.4: tabella riassuntiva delle differenze tra Batteri e Archaea /  summary table of the differences between Bacteria and Archaea

ENGLISH

When we talk about microorganisms we usually think of bacteria, viruses and protozoa. However, there is a further category of microorganisms, the Archaea, which present, in addition to a classification still controversial, also the considerable differences with the bacteria and the characteristics that make them unique.

We begin by trying to frame the Archaea starting from the classification, which is rather complex (Fig.1): the currently most accepted classification is presented by Cavalier-Smith (2004, revisited in 2010), according to which the Archaea are prokaryotic microorganisms that are part of a Kingdom in its own right, yet other classifications make this taxonomic group even a separate domain (Woese 1990).

But why is it so difficult to classify them? Let's first discover the similarities with the bacteria, and then the differences.

Archaea are, like bacteria, lacking in nucleus and internal compartmentalisation (ie they lack the typical organelles of the Eucaryota cell), but instead there are vesicles that originate from the membrane. The size, rather similar to that of the bacteria, falls within the range 0.1-15m. These microorganisms reproduce exclusively asexually, even if there are mechanisms of horizontal gene transfer (TGO), through which a cell transfers the genetic material to another without this being the direct descendant.

After the similarities, we begin to analyze the differences between Archaea (the Archaea) and the Eubacteria (or Bacteria, the Bacteria) starting from the outside of the cell, then gradually falling inwards.

At the level of the cell wall, the difference concerns the most represented type of molecule, which is the peptidoglycan in bacteria (in variable percentage depending on whether the bacterium examined is Gram + or Gram -) and the pseudo-peptidoglycan in Archaea. Peptidoglycan is a polymer of two amino-sugars: N-acetylglucosamine (NAG) and N-acetyl-muramic acid (NAM), bound together by a  (1-4) glycosidic bond. The NAM differs from the NAG for the presence on C3 of glucose of a residue of D-lactic acid linked on one side to the carbon just mentioned by an ether bond (COC), and on the other to a tetrapeptide (usually L-alanine, D-glutamic acid, meso-diaminopimelic acid and D-alanine).

For their part, the Archaea make the pseudopeptidoglycan the fundamental component. This consists of two amino sugars: NAG and N-acetyl-talosaminuronic acid (NAT) linked together by a  (1-3) glycosidic bond. Another difference concerns the amino acids linked to NAT, all in the form L.

Going down a layer inwards we find the cell membrane. Here the differences between the bacterial membrane and that of the Archaea are three: chirality (in chemistry, when a molecule is not superimposable to its own mirror image in the three dimensions, Fig.2) of glycerol that forms the phospholipids, the type of link between glycerol and aliphatic chain and the type of aliphatic chain.

In the bacterial (and eukaryotic) cell membrane the phospholipids are formed by a polar head of D-glycerol-3-phosphate followed by two chains of fatty acids linked by ester bonding; in Archaea, glycerol comes in the form of L-glycerol (different chirality), bound by ether binding (different binding) to two chains of isoprenoids (different aliphatic chains). There may also be diethers (fitanile) or tetraethers (difitanile) of glycerol (Fig.3).

Going further we arrive at the genome and the enzymes associated with it. Here the differences concern the introns, the RNA-polymerase (RNA-pol) and the tRNA of the beginning of the protein synthesis.

The introns form, together with the exons, the genes; however, only these exons encode a protein, since the introns are eliminated immediately after transcription by a mechanism called splicing. This introduction to say that in the Archaea the introns are present (even if not on all the genes); so in this case these microorganisms are more similar to eukaryotes than they are to bacteria!

But the similarities do not end here, in fact even the only RNA-pol of the Archaea is similar to the RNA-pol II of the eukaryotes, with the transcription factors of a gene (that is, proteins that bind to a specific area of the gene and regulate it activity) that perform similar activities. It must also be said that there are however transcription factors similar to those of bacteria.

Finally we talk about the tRNA beginning of the Archaea. Exactly like eukaryotic, the tRNA in these microorganisms is the tRNAiMet, that is the tRNA carrier of methionine, the amino acid from which the translation starts. Bacteria instead use a modified tRNAiMet form, tRNAifMet, or N-formylmethionine.

As you have certainly understood, Archaea are rather particular organisms, with "hybrid" characteristics between bacteria and eukaryotes ... A world to be discovered!

Da:

https://www.microbiologiaitalia.it/2017/10/04/archaea-vs-batteri-troviamo-le-differenze/