Bacterias con motores de Archaea
La biología microbiana se ha dividido en dos grandes dominios celulares, los de Bacteria y Archaea, ambos comparten estructuras básicas, pero difieren en sus maquinarias de motilidad y secreción, así como en los complejos moleculares que permiten a las células moverse, adherirse y comunicarse.
Estas nanomáquinas, formadas por decenas de proteínas, actúan como motores biológicos, algunas se asemejan a hélices, otras a cables extensibles. Para entender las diferencias entre estas máquinas moleculares, basta revisar los principales sistemas conocidos (resumidos en la siguiente tabla, inspirada en la comparación que aparece en la Figura 1a del artículo original):
Tabla 1. Principales apéndices de motilidad y adhesión en procariotas
En esta tabla se presentan las principales “máquinas de movimiento” microbianas. El pili tipo IVa (T4aP) es un apéndice retráctil que funciona como un cable extensible. El mecanismo es que la célula lo proyecta hacia una superficie, se adhiere y luego lo retrae con fuerza mediante motores de ATP (PilT y PilB), esa retracción produce un movimiento característico llamado “twitching motility”, una especie de desplazamiento por tirones o pequeños saltos sobre el sustrato sólido. Este mismo sistema puede formar un canal transitorio entre células, lo que permite la transferencia horizontal de ADN.
Por otra parte, el archaellum en Chloroflexota, descubierto en Litorilinea aerophila, podría considerarse una motilidad híbrida porque combina componentes típicamente arqueanos (genes arl, estructura helicoidal, motor rotatorio impulsado por ATP) dentro de una célula bacteriana. Es decir, biológicamente se encuentra en una bacteria, pero mecánicamente y energéticamente actúa como el de una arquea. Aunque bacterias y arqueas comparten la necesidad de moverse o adherirse, las soluciones moleculares son distintas. Los flagelos bacterianos giran gracias a un flujo de protones; los pili se extienden y retraen; los archaella arqueanos giran mediante energía química directa, en este panorama, cada dominio encontró su propio camino evolutivo.
En octubre de 2025, un estudio publicado en Nature Microbiology por los grupos de Sonja-Verena Albers (Universidad de Friburgo) y Simonetta Gribaldo (Instituto Pasteur) reveló que la bacteria Litorilinea aerophila, perteneciente al filo Chloroflexota, posee un archaellum plenamente funcional, lo que significa que por primera vez, una maquinaria considerada exclusiva de las arqueas se observa activa en un organismo bacteriano. El equipo analizó más de 3,700 genomas del filo Chloroflexota en busca de sistemas de motilidad y secreción. En el mapa comparativo de la Figura 1a, se aprecia cómo estos genomas contienen una sorprendente variedad de sistemas: flagelos, pili tipo IV, estructuras Tad y, de forma inusual, conjuntos completos de genes del archaellum. En el árbol filogenético de la Figura 1b, esas bacterias portadoras del archaellum se distribuyen en casi todos los órdenes del filo, lo que sugiere que esta maquinaria es un rasgo compartido.
a, Schematic representation of searched macromolecular systems and associated proteins. Each system with the corresponding proteins was searched in Chloroflexota genomes using MacSyFinder2. The present subunits are coloured accordingly, and grey subunits were not found. Of the 3,780 genomes searched, 233 potentially flagellated members were found. Around 1,234 encoded a Tad pilus, and 340 have loci for a type IVa pilus. A total of 243 genomes encoded a complete archaellum machinery. b, Reference phylogeny of Chloroflexota at the order level with the relative frequency of each TFF and flagellum systems by order. Order names correspond to GTDB taxonomy. The full species tree of Chloroflexota is in source data. Archaellum machineries are found in most of the orders of Chloroflexota.
La organización genética del sistema en L. aerophila resultó casi idéntica a la de arqueas motiles clásicas como Sulfolobus acidocaldarius. Los loci genéticos (mostrados en la Figura 2b–c) conservan la disposición de los genes motores (arlI, arlJ, arlH), estructurales (arlB, arlCDE, arlFG) y de procesamiento (PilD), lo que indica que el sistema se mantiene completo y potencialmente funcional.
a, Schematic of the archaellum machinery with its subunits. b,c, Exemplary identified archaellum loci in Chloroflexota (b) and Archaea (c). Chloroflexota of different orders harbour archaellum machinery genes. The machinery is complete and has all the necessary genes for archaellation and motility. The order of the genes and their homology are more similar to those of the arl2 cluster found in S. acidocaldarius, ‘Candidatus Nitrososphaera gargensis’ and the euryarchaeon Archaeoglobus fulgidus. Homologous genes are indicated in the same colour according to the schematic in a. kb, kilobase.
Para probarlo, los autores usaron modelos tridimensionales generados con AlphaFold 3, comparando las proteínas ArlI y ArlJ bacterianas con sus homólogas arqueanas. Los resultados, reflejados en la Figura 3a–b, mostraron un nivel de conservación estructural casi perfecto, en donde los dominios catalíticos, las hélices y los sitios de unión a ATP son idénticos. Esta similitud sugiere que el motor rotatorio bacteriano funciona bajo los mismos principios que el arqueano. Cuando las células de L. aerophila se cultivaron sobre agar, comenzaron a mostrar comportamientos de natación.
a, Alphafold3-predicted structures of the motor protein ArlI and ArlJ of the bacterial organism L. aerophila, the euryarchaeon M. jannaschii and S. acidocaldarius (PDB: 4ii7 for ArlI). A comparison of all three structures reveals remarkable structural similarity and similar domains in the N-terminal domain (NTD) and C-terminal domain (CTD). b, Conservation of residues in ArlI and ArlJ of bacterial archaella machineries was calculated using ConSurf. The scale bar indicates calculated conservation scores per residue. Predicted local distance difference test (pLDDT) plots of predicted structures are found in Supplementary Fig. 2.
En la Figura 4a, imágenes de fluorescencia revelan cómo las hebras multicelulares se fragmentan y adquieren apéndices polares; en la Figura 4b, la microscopía electrónica de transmisión muestra filamentos finos que emergen de los polos celulares. Al observarlas en tiempo real, las bacterias giraban y se desplazaban activamente, lo que confirma experimentalmente la presencia de un archaellum operativo en un organismo bacteriano.
a, Light and fluorescence microscopy of L. aerophila after labelling with NileRed and SYTO13 from liquid cultures and motility plates. Cell filaments shorten after growth on semi-solid agar plates. b, Transmission electron micrographs of cells. Cells isolated from semi-solid agar plates show distinct polar-located cell surface filaments reminiscent of archaellum filaments indicated by red arrows. Archaella were observed in 0 out of 86 cells from liquid culture (n = 86), 19 out of 108 cells from cells isolated from midpoint (n = 108) and 53 out of 95 cells from the rim of motility halo (n = 95). Scale bars are as indicated.
La estructura de estos filamentos fue resuelta mediante CryoEM a una resolución de 2.7 Å. Las reconstrucciones tridimensionales (ver Figura 5a–d) muestran una hélice izquierda compuesta por trímeros de la proteína ArlB, con la misma curvatura, el mismo enrollamiento y las mismas subunidades que las arqueas termófilas. Además, los investigadores identificaron sitios de glicosilación y de unión metálica idénticos a los de las archaella euriarqueotas. En términos simples, el archaellum presente en L. aerophila es una copia funcional del archaellum arqueano original. El análisis evolutivo de las proteínas del archaellum (Figura 6) reveló el origen de las secuencias en bacterias; se pudieron trazar al menos dos eventos independientes de transferencia horizontal de genes desde arqueas hacia bacterias Chloroflexota, probablemente ocurridos hace cientos de millones de años. A diferencia de la mayoría de las transferencias genéticas, en las que los genes importados se degradan o pierden su función, en este caso el sistema completo se ha mantenido activo y adaptado al entorno bacteriano.
a, CryoEM-derived map at 2.7 Å resolution in surface view with fitted-chain representation. Representation of the archaellum structure in side, top and end-on views showing the core of alpha helices and globular domain facing outwards. Three left-handed strands are coloured accordingly. Scale bars, 100 Å. b, CryoEM-derived map at 3.4 Å of asymmetric filament reconstruction. The EM map shows a slight tilt and is coloured by fitted chains. Representation of the tilted archaellum filament in side view, top view and end-on view. Scale bars, 100 Å. c, Additional dead-end protrusions corresponded to the residues Thr145 and Thr66, likely to be O-glycosylations. d, Each subunit harbours a metal-binding site coordinated by residues D121, D127, E131 and E134.
Las Chloroflexota ya eran conocidas por integrar genes arqueanos en rutas metabólicas como la ATP sintasa, pero ahora sabemos que también son capaces de incorporar sistemas completos de motilidad. Este fenómeno sugiere que la evolución microbiana no se limita a innovar desde cero: también recombina soluciones preexistentes, borrando las divisiones conceptuales entre Bacteria y Archaea. Como concluyen los autores, este trabajo representa “un ejemplo espectacular de exaptación: una maquinaria arqueana reutilizada por bacterias para la misma función”.
Referencia: Sivabalasarma, Shamphavi, et al. “Structure of a Functional Archaellum in Bacteria of the Chloroflexota Phylum.” Nature Microbiology, vol. 10, no. 10, Sept. 2025, pp. 2412–24, https://doi.org/10.1038/s41564-025-02110-8.
