arkea Sampai abad ke 20 klasifikasi makhluk hidup : tanaman dan hewan 1950s – 1960s :ditambah dengan fungi, protista, bacteria 1970s : prokaryotic (bacteria) dan 4 eukaryotic kingdom (plants,
animal, fungi, protists) Tetapi setelah tahun 1970, ditemukan domain baru dari kelompok organisme yaitu : arkea Dr. Carl Woese dan kolega nya dari University of Illinois Menggunakan DNA sequen, dan menemukan terdapat perbedaan yang mendasar antara kluster “bacteria” yang memproduksi methane dan hidup di lingkungan bertemperatur tinggi, dengan kelompok bakteri umum yang lainnya dan kelompok eukaryot Woese proposed that life be divided into three domains: Eukaryota, Eubacteria, and Archaebacteria. Sekarang dikenal dengan arkea
arkea
arkea (The hot springs of Yellowstone National Park, USA)
arkea arkeans , hidup pada lingkungan yang ekstrem Beberapa hidup pada kedalaman laut di daerah dekat
“rift vent “ dengan suhu diatas 100oC Yang lain hidup pada mata air panas , atau pada air dengan pH sangat asam atau pH yang sangat basa Beberapa hidup pada saluran pencernaan sapi, rayap (termites) dan di laut, dimana kelompok tersebut memproduksi methane.
arkea Beberapa arkeans dapat hidup pada lingkungan yang
sangat asin. Salah satunya adalah kelompok Halobacterium, a wellstudied arkean. The light-sensitive pigment bacteriorhodopsin gives Halobacterium its color and provides it with chemical energy. Bacteriorhodopsin has a lovely purple color and it pumps protons to the outside of the membrane. When these protons flow back, they are used in the synthesis of ATP, which is the energy source of the cell. This protein is chemically very similar to the light-detecting pigment rhodopsin, found in the vertebrate retina.
arkea arkeans kemungkinan satu-satunya organisme yang
bisa hidup pada tempat yang mempunyai habitat ekstrem seperti “thermal vent” atau “hypersaline water”, dimana organisme lain tidak bisa hidup. Penemuan baru, arkea, juga banyak terdapat pada permukaan air laut yang terdapat banyak plankton.
arkea Tidak seperti golongan bacteria, arkea memiliki sedikit
peptidoglikan pada dinding selnya, membran sel mempunyai ikatan lipid ether (ether linked), yang tidak ditemukan di golongan organisme lain. Struktur dan fungsi gen dari arkea, lebih mirip dengan eukaryot dibandingkan dengan bakteri. Selain itu terdapat perbedaan dalam hal metabolisme arkea digolongkan dalam 2 filum utama yaitu : krenarkeota (krenarkeota),dan Euryarchaeota (euriarkeota),sementara 2 filum berikutnya yaitu : Koarchaeota (koarkeota) dan Nanoarchaeota (nanoarkeota) merupakan cabang dekat dengan pangkal pohon filogeni.
Klasifikasi arkea
arkea (Krenarkeota) krenarkeota : diantara anggotanya ada yang bisa hidup pada suhu air
mendidih dan air beku. Mikroorganisme yang sudah dapat dikulturkan bersifat hipertermofil dengan suhu diatas 80, dan ada yang optimum pada suhu diatas suhu air mendidih Sebagian besar arkea hipertermofil dapat diisolasi dari tanah geotermal panas atau perairan yang mengandung unsur sulfur serta melangsungkan metabolisme sulfur. Pada lingkungan terestrial, mata air kaya sulfur, lumpur mendidih dan tanah bersuhu diatas 1000 C. Selain itu juga dapat hidup pada habitat artifisial yang panas, misalnya pada aliran yang keluar dari perusahaan industri. krenarkeota ada yang dapat hidup pada keadaan dingin yang diperoleh melalui pengambilan contoh gen ribosomal RNA. Krenarkeota marin dijumpai pada lautan es, berupa plankton dengan jumlah sekitar 10 4/ ml pada air miskin nutrien dan suhu 2 – 4 0C atau kurang
arkea (krenarkeota) Hipertermofil habitat vulkanik terestrial : Sulfolobus,
Acidianus, Thermoproteus, Pyrobaculum. Habitat vulkanik dengan suhu diatas 100 0C cocok untuk arkea termofil. Sulfolobus tumbuh pada sumber air panas kaya sulfur dengan suhu diatas 900 C dan pH 1-5, bersifat aerob kemolitotrof, mengoksidasi H2S atau S menjadi H2SO4 dengan CO2 sebagai sumber karbon
Sulfolobus
arkea (krenarkeota) Hipertermofil dari habitat vulkanik submarin, genus
utamanya : Pyrodictium, Pyrolobus, Ignicocus dan Staphylothermus. Pyrolobus fumari merupakan prokariot yang paling terrmofil dengan suhu maksimum 1130 C, hidup pada dinding cerobong awan hitam palung hidrothermal, dengan kemampuan autotrof, organisme ini menyumbangkan senyawa organik pada lingkungan anorganik tersebut.
arkea (krenarkeota)
Arkea (Euriarkeota) Arkea halofil ekstrim, genus utamanya Halobacterium,
Haloferax dan Natronobacterium. Organisme beragam yang menghuni lingkungan bergaram tinggi seperti kolam pembuatan garam, danau alami atau artifisial bergaram tinggi, habitat demikian disebut hipersalin. Organisme halofil ekstrim tidak hanya bersifat halofil tetapi kebutuhan garam sangat tinggi dan pada beberapa kasus jumlahnya mencapai keadaan jenuh. Kisaran NaCl 1,5 M (9%), 2-4 M (12-23%), 5,5 M (32%)
Arkea (Euriarkeota) Perairan yang berwarna ungu kemerahan mencirikan
adanya blooming dari arkea halofil yang mempunyai pigmen karotenoid Dengan bantuan sekuensing gen 16S rRNA diketahui ada 14 genus halofil ekstrem yang secara kelompok dinamakan halobakteria Arkea penghasil metan : metanogen, genus utama Methanobacterium, Methanocaldococcus dan methanosarcina. Metanogen memperlihatkan berbagai morfologi dan aspek kimia dinding sel
Arkea (Euriarkeota) Substrat yang digunakan metanogen dapat dikelompokan
menjadi 3 tipe yaitu : substrat CO2, metil dan asetotrof Genom hipertermofil metanogen Methanocaldococcus jannaschii, telah disekuen dan genom sirkularnya mencapai 1.66Mbp dengan 1700 gen, meliputi gen yang menyandikan metanogenesis dan fungsi kunci sel, yang menarik adalah sebagian gen yang menyandikan fungsi sel mirip bakteri, sedangkan yang menyandikan proses molekuler inti seperti transkripsi dan tranlasi mirip dengan eukariot Hal ini menyatakan bahwa kedudukan genom arkea berada diantara bakteria dan eukarya.
Arkea (Euriarkeota) Thermoplasmatales, genus utama Thermoplasma,
Ferroplasma, picrophilus. Asidofil, Picrophillus dapat tumbuh optimum pada pH 0,7. Membran sitoplasmanya diduga mempunyai susunan lipid yang tidak umum yang membentuk membran tak permeabel asam tinggi pada pH optimum. Namun dengan pH agak asam seperti pH 4 membran akan cepat menyusut dan mengalami disintegrasi. Hal ini berarti mikroorganisme hanya dapat bertahan pada habitat yang sangat asam.
Arkea (Euriarkeota) Methanopyrus, methanogen hipertermofil berbentuk
batang yang diisolasi dari sedimen palung submarine hydrotermal dan dinding cerobong awan hitam (black smoker). Suhu maksimum pertumbuhan 110 C dan metanogen sehingga posisinya pada pohon filogeni arkea sangat unik. Mikroorganisme menghasilkan metan hanya dari H2+CO2, dan tumbuh cepat sebagai autotrof dengan waktu generasi 1 jam pada suhu optimum 1000 C. Methanopyrus dengan ciri-ciri seperti posisi filogeni, sifat hipertermofil, metabolisme anaerob dan lipid primitif (lipid membran yang tergabung dengan eter dalam bentuk tidak jenuh), membuat organisme ini sebagai model dalam bentuk kehidupan paling awal.
Methanopyrus, Methanocaldococcus
Arkea (Nanoarkeota) Filum ini unik karena beranggotakan sel parasit yang kecil dan
mempunyai genom yang kecil diantara prokariot yang sudah dikenal Nanoarchaeum, genus yang berbentuk kokoid yang sangat kecil dan hidup sebagai parasit atau mungkin simbion dari krenarkeota Ignicoccus. Sel berdiameter 0,4µm dan hanya 1% volume E.coli. Sel bereplikasi bila terikat pada permukaan sel Ignicocus. Sel dapat berupa tunggal, berpasangan atau berkelompok hingga lebih dari 10 sel per sel ignicocus. Tidak dapat tumbuh sebagai kultur murni kecuali apabila ada inang. Bersifat termofil dan tumbuh optimum pada suhu 900C. Isolat berasal dari palung hidrothermal submarine, sumber air panas belerang. Baru 1 spesies yang diketahui yaitu N.equitans
Nanoarkeota
Arkea (Nanoarkeota) Nanoarkeota merupakan cabang paling dalam pada
pohon filogeni arkea. Genom berukuran 0,49 Mbp, merupakan genom paling kecil. Nanoarchaeum mempunyai gen untuk semua enzim kunci yang diperlukan proses molekular penting seperti replikasi DNA, transkripsi dan translasi.
Extremophiles
Acidophiles
Acidic mud pot in Yellowstone Park – home to the acidophile Sulfolobus acidocaldarius. Credit: US National Park S ervice
Acidophiles Mikrobe, termasuk bakteri dan arkea, yang bisa berkembang dengan cepat pada lingkungan yang asam, seperti “sulfuric pools”, dengan pH sekitar 1 sampai 5. Merupakan tipe extremophile, karena kondisi yang sangat asam akan menyebabkan kerusakan pada molekul esensial sel termasuk DNA. Organisme ini mempunyai kemampuan untuk memompa ion hidrogen keluar sel secara konstan. Beberapa alga , seperti uniseluler red alga : Cyanidium caldarium dan green alga Dunaliella acidophila, merupakan pengecualian yang bisa hidup pada pH dibawah 1. Sedangkan gol fungi yaitu : Acontium cylatium, Cephalosporium sp., and Trichosporon cerebriae, dapat tumbuh pada pH mendekati 0. Spesies lain seperti : Ferroplasma acidarmanus, ditemukan tumbuh pada pH 0 in acid mine drainage in Iron Mountain in California. polyextremophiles (tolerant to multiple environmental extremes) berkembang biak pada sulfuric acid, dengan kadar yang tinggi dari copper, arsenic, cadmium, zinc, hanya dengan membran cell dan buka dinding sel.
psychrophile
Desulfofrigus oceanense
psychrophile Dikenal juga dengan nama a cryophile, organisme
yang bereproduksi dan tumbuh baik pada suhu -10 to 20°C (14 to 68°F). Termasuk extremophile, beberapa ditemukan di laut Arctic dan Antarctic . Lainnya ditemukan di lapisan es pada kedalaman 3 km di Greenland. Psychrophiles memiliki enzim yang dapat beradaptasi pada suhu rendah, dan terdenaturasi pada suhu yang lebih tinggi. Organisme ini juga mempunyai polyunsaturated fatty acids pada komposisi lipidnya.
Deinococcus radiodurans
Deinococcus radiodurans Merupakan bakteri dan ekstremophile yang paling banyak
dikenal, ditemukan pada kaleng makanan yang telah disterilisasi dengan menggunakan sistem radiasi. Deinococcus radiodurans, (nicknamed Conan the Bacterium), dapat bertahan dengan radiasi : 1.5 million rads – a thousand times lebih banyak dibanding bentuk organisme lain di bumi 3,000 kali lebih banyak dibandingkan dengan manusia bisa bertahan. Kemampuan yang luar biasa ini bisa dimanfaatkan untuk area limbah nuklir.
Deinococcus radiodurans Kemampuan untuk bertahan pada kondisi extrem yang
lain seperti dehidrasi dan suhu rendah, ditemukan juga di north pole. Kemampuan bertahan hidup ? Radiasi tinggi ? Planet Mars ?? DNA merupakan bagian pertama sel yang dirusak oleh radiasi. Mekanisme perbaikan DNA (DNA repair) Sel termasuk sel manusia, dapat memperbaiki sendiri DNA yang rusak sekitar 3 sd 5, tetapi D. radiodurans dapat memperbaiki sebanyak 200. Mempunyai enzym perbaikan DNA yang unik.
Deinococcus radiodurans DNA in a ring , penemuan th 2002 Avy Minsky dan kolega di
Weizmann Institute of Science's Organic Chemistry Department. Using various optical and electron microscopy methods, DNA mikroba tersusun dalam suatu cincin yang unik , yang akan mencegah kerusakan DNA oleh radiasi. Manganese and repair proteins , 2007 Michael Daily dari Uniformed Services University of the Health Sciences in Bethesda, Maryland, and colleagues. Mangan mencegah kerusakan oksidatif pada repair protein.
Desulfotomaculum
Desulfotomaculum
nigrificans (Postgate, 1984)
Desulfotomaculum Merupakan genus dari anaerob, rod shape bakteri, mereduksi sulfat,
sulfit dan campuran sulfur lainnya. Pewarnaan gram negatif, tetapi mempunyai dinding sel gram positif. Nama "Desulfotomaculum" mempunyai arti sulfur-reducing action (de- + sulfo-) and the shape (the Latin tomaculum means "sausage"). Terdapat 3 species yaitu : nigrificans, ruminis, and orientis, yang telah dikenal sejak th 1965. Terdapat 20 spesies yang berbeda yang menempati lingkungan : tanah, air, area geothermal, intestines insect, dan pada saluran hewan ruminansia . Pada tahun 2006, strain baru dari Desulfotomaculum ditemukan pada kedalaman 3 to 4 kilometers in the Mponeng gold mine, Johannesburg, South Africa. The discovery of light-independent life forms is of great interest to astrobiologists since it increases the likelihood of finding similar creatures on other worlds, such as Mars.
endoliths
Endolithic cyanobacteria
endoliths Organisme yang tumbuh di batu atau pori-pori butiran mineral Sudah diketahui ribuan spesies termasuk bakteri dan arkea juga fungi Endoliths tumbuh di kerak bumi dengan kedalaman hampir 3 km Sebagian besar merupakan autotrof yang memproduksi sendiri senyawa organik dari senyawa kimia inorganik pada batuan Hypertermophile, diketahui dapat bertahan hidup pada black smokers dengan temperatur lebih dari 110°C. Pada tahun 1998, ditemukan "rock-eating" microbes pada kedalaman sekitar 1.5 km (~1 mile) dibawah dasar laut. Tim dari Oregon State University menemukan sampel DNA pada batuan dasar di tempat tersebut, teori yang mungkin adalah bahwa organisme tersebut mencari micronutrient di batuan dalam bentuk iron, potasium atau sulfur.
Hydrothermal vents The first extremophile to
have its genome sequenced was Methanococcus jannaschii, a microbe that lives near hydrothermal vents 2,600 meters below sea level, where temperatures approach the boiling point of water and the pressure is sufficient to crush an ordinary submarine
Bledug kuwu
Grobogan, Purwodadi Luas 40 Ha
halophiles
Salt flats at Lake Magadi,
Kenya. The flats are red due to the proliferation of halobacteria
halophiles Mikroba termasuk didalamnya bakteri dan arkea, yang hidup dan berkembang biak di lingkungan yang sangat asin, merupakan extremophile. Extreme halophiles, hampir semuanya adalah arkaea, sebagian dari kelompok green alga Dunaliella salina, tinggal di lingkungan yang salinitasnya hampir 10 kali dibandingkan dengan air laut umumnya. (approximately 30 percent salt content), termasuk yang ditemukan di Great Salt Lake, Utah, Owens Lake , California, the Dead Sea, and saltines. Sebagian besar adalah anaerob, mempunyai dinding sel yang unik, yang bekerjasama dengan pigmen dalam membentuk bakteriorhodopsin untuk fotosintesis dan carotenoid untuk perlindungan sinar uv. Untuk mencegah keluarnya air dari dalam sel, halophile mempunyai mekanisme dengan cara mengakumulasikan senyawa seperti potasium dan glysine-betain, hal ini menyebabkan keseimbangan kadar garam didalam dan luar sel.
hyperthermophiles Red coloration on
rocks near Naples, Italy, produced by the hyperthermophile Sulfolobus solfataricus.
hyperthermophiles
Mikroba yang bereproduksi dan tumbuh di lingkungan dengan temperatur yang sangat tinggi, antara 60 to 113°C. Yang pertama kali bisa diidentifikasi adalah kelompok Sulfolobus acidocaldarius, termasuk diantara kelompok hyperthermophile dan acidophile. Ditemukan akhir tahun 1960s di mata air panas sekaligus asam Yellowstone National Park, Wyoming. Sejak saat itu tak kurang dari 50 hyperthermophiles telah bisa diisolasi. Sebagian besar adalah arkea, beberapa cyanobacteria dan anaerobic photosyntetic bacteria, , tumbuh baik pada suhu 70 to 75°C . hyperthermophiles yang paling banyak dikenal yaitu anaerobic arkea, termasuk anggota genus Pyrolobus, Pyrodictium, and Pyrococcus. Contohnya adalah Pyrolobus fumarii, krenarkeota, a nitrate-reducing chemolithotroph (an organism that derives energy from minerals), grows on the walls of marine hydrothermal vent ("smokers"). It multiplies best at about 105°C (221°F), can reproduce at up to 113°C (235°F) and stops growing in "cooler" environments below 90°C (194°F). Another hyperthermophile that lives in deep-sea vents, Methanopyrus, is of special interest because of its ancient genetic make-up. Analysis of its genes suggests that it may have been among the earliest organisms on Earth. Further study of it may help shed light on how the first cells survived . The upper temperature limit of terrestrial life has yet to be determined. But, although the search is on for "super-hyperthermophiles", it would be surprising to find microbes thriving at 150°C (302°F) or more. At this temperature, current understanding suggests that no biological strategy could prevent the breakdown of chemical bonds that hold DNA and other vital molecules together. methanogen
hyperthermophiles Stabilitas protein dan DNA pada suhu tinggi penting untuk
organisme hipertermofil. Sebagian besar protein akan terdenaturasi pada suhu tinggi sehingga perlu diidentifikasi protein yang termostabil. Protein tang demikian tergantung pada pelipatannya, sedangkan DNA memerlukan sesuatu yang membuatnya tetap kompak pada suhu tinggi. Saperonin (chaperonin) merupakan protein renjatan panas (heat shock) yang berfungsi untuk melipat kembali sebagian protein yang mengalami denaturasi Pada pyrodyctium saperonin utama yang merupakan kompleks protein yang disebut termosom, berfungsi agar protein berada pada lipatan yang benar dan tetap berfungsi pada suhu tinggi serta membantu agar sel tetap bertahan pada suhu diatas suhu maksimum pertumbuhan.
Methanogen Methanogens. Credit:
Maryland Astrobiology Consortium, NASA, and STScI
Methanogen Microorganisme yang memproduksi metan sebagai by produk dari
hasil metabolismenya. Hampir semua methanogen yang dikenal merupakan kelompok dari arkea, obligat anaerob, artinya organisme tersebut tidak dapat hidup apabila ada oksigen. Biasanya ditemukan di dataran yang lembab, pada alat pencernaan hewan seperti ruminansia. More than 50 species of methanogens have been identified, including a number that are extremophiles. Live methanogens were recovered from a core sample taken from 3 kilometers under Greenland by researchers from the University of California, Berkeley. Another study discovered methanogens in soil and vapor samples from the vicinity of the Mars Desert Research Station in Utah. These findings add weigh to speculation by some scientists that methanogens may be responsible for the methane that has been in detected in the atmosphere of Mars.
cyanobacteria
The oldest known fossils are cyanobacteria from arkean rocks of western Australia, dated 3.5 billion years old. This may be somewhat surprising, since the oldest rocks are only a little older: 3.8 billion years old. Cyanobacteria are among the easiest microfossils to recognize. Morphologies in the group have remained much the same for billions of years, and they may leave chemical fossils behind as well, in the form of breakdown products from pigments. Small fossilized cyanobacteria have been extracted from Precambrian rock, and studied through the use of SEM and TEM (scanning and transmission electron microscopy). The autotrophic (auto = "self" tropho = "nourishment", Greek) cyanobacteria were once classified as "blue green algae" because of their superficial resemblance to eukaryotic green algae. Although both groups are photosynthetic, they are only distantly related: cyanobacteria lack internal organelles, a discrete nucleus and the histone proteins associated with eukaryotic chromosomes. Like all eubacteria, their cell walls contain peptidoglycan.
cyanobacteria
Cyanobacteria are actually believed to be the origin of chloroplasts in plants. It is these chloroplasts which allow the plant to photosynthesize. In the late Proterozoic period, it is believed that cyanobacteria took up residence in some eukaryotic cells. The process of a bacteria taking living within another cell is called endosymbiosis. As the eukaryotic cells began to divide and form multicellular organisms, each cell contained these cyanobacteria. Eventually, a fully functioning plant developed. Cyanobacteria also play a major role in the nitrogen cycle. They are able to convert atmospheric nitrogen into its organic form. All plants use organic nitrogen as a nutrient to promote growth. Without this source of nitrogen, the plants would die. Cyanobacteria are one of the few types of organisms that are able to make this conversion from atmospheric to organic nitrogen. These autotrophic bacteria have a very rich fossil record. The oldest known fossils are cyanobacteria. These fossils are dated at approximately 3.5 billion years old. An indication of how old these fossils are is the fact that the oldest rocks are estimated to be 3.8 billion years old. The idea that autotrophic bacteria are so old led many prominent scientists to believe that they were instrumental in the evolution of the world, as a whole. For example, 3.5 billion years ago, the earth's conditions were much different. The biosphere consisted of a primordial sea, ample hydrogen and ammonium gas, carbon dioxide, strong ultraviolet radiation and a limited amount of oxygen gas. The cyanobacteria were the first cells to photosynthesize and consequently produce oxygen gas as a byproduct. An atmosphere began to form as the oxygen gas continued to build up. When the atmosphere was completed, the world was now suitable for eukaryotic life, because there were large amounts of oxygen for cellular respiration and the harsh ultraviolet radiation was absorbed by the atmosphere. Essentially, without cyanobacteria, none of us would have be able to survive on planet Earth.
cyanobacteria
Ancient Fossil
Bacteria : cyanobacteria
Referensi Mikrobiologi Esensial 1, Tedja Imas Sunatmo, 2009,
penerbit Ardy Agency Jakarta. The internet Encyclopedia of science (WWW.daviddarling .info/encyclopedia/ETEmain.html) WWW.ucmp.berkeley.edu/arkea/arkea.html
