Este artículo analiza las propiedades únicas de las arqueas hipertermófilas . Los hipertermófilos son organismos que pueden vivir a temperaturas que oscilan entre 70 y 125 ° C. [1] Han sido objeto de un intenso estudio desde su descubrimiento en 1977 en el Rift de Galápagos . Se pensaba que era imposible que existiera vida a temperaturas de hasta 100 ° C hasta que se descubrió Pyrolobus fumarii en 1997. P. fumarii es un organismo unicelular del dominio Archaea que vive en los respiraderos hidrotermales de los fumadores negros a lo largo de la Cordillera del Atlántico Medio.. Estos organismos pueden vivir a 106 ° C a un pH de 5,5. Para obtener energía de su entorno, estos organismos son quimiolitoautótrofos obligados facultativamente aeróbicos , lo que significa que estos organismos construyen biomoléculas recolectando dióxido de carbono (CO 2 ) de su entorno utilizando hidrógeno (H 2 ) como donante primario de electrones y nitrato (NO 3 - ) como el aceptor de electrones primario . Estos organismos pueden incluso sobrevivir al autoclave , que es una máquina diseñada para matar organismos a través de altas temperaturas y presiones. Debido a que los hipertermófilos viven en ambientes tan cálidos, deben tener modificaciones de ADN , membranas y enzimas que los ayuden a soportar una intensa energía térmica. Estas modificaciones se están estudiando actualmente para comprender mejor qué permite que un organismo o proteína sobreviva a condiciones tan duras. Al aprender qué permite a estos organismos sobrevivir a condiciones tan duras, los investigadores pueden sintetizar mejor las moléculas para la industria que son más difíciles de desnaturalizar.
Estructuras de ADN de P. fumarii
Dos hebras de ADN se mantienen juntas mediante un apareamiento de bases que permite que las bases de nucleótidos adenosina (A) se unan con timina (T) y guanina (G) se unan con citosina (C). Se ha propuesto que se esperaría que las arqueas termófilas tuvieran un mayor contenido de GC dentro de su ADN, porque los emparejamientos de GC tienen tres enlaces de hidrógeno , mientras que los emparejamientos de AT tienen solo dos. Aumentar el número de enlaces de hidrógeno aumentaría la estabilidad del ADN, aumentando así la energía necesaria para separar las dos cadenas de ADN. Esto ayudaría a que el ADN permanezca bicatenario a temperaturas tan altas que normalmente proporcionarían suficiente energía térmica para separar las cadenas de ADN.
P. fumarii fue secuenciado por primera vez en 2001 por Diversa Corporation y la secuencia se lanzó al público en 2014. Los datos de este análisis mostraron un contenido de GC del 54,90%. Esto apoya la hipótesis de que los termófilos experimentan una presión selectiva para aumentar su contenido de GC con el fin de estabilizar su ADN. Sin embargo, la investigación no ha respaldado de manera concluyente esta hipótesis. Un estudio realizado por Hurst y Merchant (2001) no mostró correlación entre un mayor contenido de GC en procariotas y el aumento de las temperaturas óptimas de crecimiento. Sin embargo, su análisis mostró que había un mayor contenido de GC para el tercer ácido nucleico dentro del codón . Esto demuestra que dentro de la posición de oscilación es probable que exista una presión selectiva para que más enlaces de hidrógeno aumenten la estabilidad dentro del ADN, pero menos presión selectiva para los emparejamientos de GC dentro del ADN en su conjunto. Esto apoya lo que se ve en P. fumarii . La mayor parte del ADN se compone de nucleótidos G y C, pero el ADN todavía contiene muchos nucleótidos A y T. Estos resultados probablemente indican que junto con el aumento del emparejamiento de GC en la posición de oscilación, las arqueas termofílicas tienen otros mecanismos para estabilizar su ADN a temperaturas tan altas.
Un posible mecanismo para estabilizar el ADN a temperaturas tan altas son las proteínas, como la topoisomerasa de tipo I, que hace que el ADN se tuerza demasiado, lo que dificulta el desenrollado espontáneo del ADN. La presencia de esta proteína en múltiples organismos evolutivamente distantes apoya la hipótesis de que esta proteína juega un papel en la estabilización del ADN.
Adaptaciones de membrana
Todos los microbios, desde la bacteria más pequeña hasta el eucariota multicelular más grande, contienen una membrana con fosfolípidos . Una molécula de fosfolípido está compuesta por un ácido graso largo , a menudo llamado cola de la molécula, y un grupo fosfato , que actúa como la cabeza de la molécula. Las membranas de fosfolípidos pueden variar ampliamente en la estructura de la cola de ácidos grasos, que se compone principalmente de hidrocarburos . Estas moléculas de fosfolípidos forman bicapas con los grupos de fosfato polares que miran a la solución acuosa dentro o fuera de la célula con los hidrocarburos que miran hacia adentro interactuando entre sí. La membrana, junto con las proteínas, controla qué moléculas pueden entrar o salir de la célula. Por esta razón, la membrana juega un papel crucial en la supervivencia de la célula. Una membrana defectuosa puede permitir que entren demasiados solutos en la célula, lo que resulta en la muerte celular.
Diferentes organismos han ideado diferentes estrategias para controlar lo que entra y sale de la célula. Las bacterias y las células eucariotas contienen bicapas de fosfolípidos que contienen enlaces éster , mientras que las arqueas contienen enlaces éter . Si bien estos mecanismos funcionan muy bien para los organismos que viven en ambientes mesófilos , no funcionan para los extremófilos. Los mesófilos son organismos que viven a temperaturas relativamente moderadas (20–45 ° C). Son organismos que viven alrededor del nivel del mar y pueden sobrevivir a las mismas temperaturas que los humanos.
Los extremófilos son organismos que crecen mejor en ambientes extremadamente fríos, ácidos, básicos o calientes. P. fumarii es un hipertermófilo, lo que indica que este organismo crece mejor a temperaturas extremadamente altas (70-125 ° C). P. fumarii crece mejor a 106 ° C. Debido a las temperaturas extremadamente altas a las que está sometida esta arquea, este organismo debe tener biomoléculas extremadamente estables para sobrevivir. Sin una mayor estabilidad en la membrana, la célula se desintegraría y demasiadas moléculas entrarían y saldrían de la membrana, destruyendo los gradientes químicos que la célula usa como energía y dejando que todas las proteínas sintetizadas por la célula se difundan, deteniendo su metabolismo. Procesos.
Para hacer frente a este problema, las arqueas han cambiado sus composiciones de lípidos de membrana. Todavía contienen grupos fosfato y colas largas de ácidos grasos, pero también contienen enlaces éter en lugar de enlaces éster. Los enlaces éter hacen que los enlaces entre los grupos fosfato y los hidrocarburos sean más estables porque el carbono que conecta el grupo fosfato y la molécula de glicerol es más rico en electrones de lo que sería en un éster, lo que hace que ese carbono sea menos electrófilo y, por lo tanto, menos reactivo químicamente. Esto permite que el fosfolípido unido a éter sea más estable y menos susceptible a la degradación por grandes cantidades de energía térmica aumentada. Esto contribuye a la capacidad de las arqueas para vivir en entornos tan extremos.
Otra adaptación de la membrana que se observa en algunas arqueas son los tetraéter fosfolípidos. Esta adaptación específica se ha encontrado en P. fumarii junto con otros hipertermófilos. Un tetraéter fosfolípido es una molécula que contiene dos colas de hidrocarburos, cada una de las cuales proviene de un enlace éster y una molécula de fosfato. Estos fosfolípidos forman monocapas en lugar de las bicapas típicas que se observan en la mayoría de las bacterias y todos los eucariotas. Por lo tanto, en lugar de dos moléculas diferentes que interactúan entre sí, solo una molécula abarca todo el ancho de la membrana. La monocapa permite un empaquetamiento más apretado de moléculas dentro de la membrana porque deben caber menos moléculas en la membrana, sin embargo, estas moléculas grandes son menos capaces de moverse dentro de la membrana. Esto luego disminuye la fluidez de la membrana, lo que permite que la célula evite que más moléculas crucen la membrana. Esta es una adaptación extremadamente importante porque a temperaturas tan altas, las moléculas se mueven más rápidamente que a temperaturas mesófilas. Al disminuir la fluidez de la membrana, la célula puede disminuir el movimiento de las moléculas de fosfolípidos, lo que detiene el movimiento no deseado de moléculas a través de la membrana.
Otra modificación de la regulación de la membrana extremadamente importante que utilizan las arqueas para controlar la entrada y salida de solutos es la adición de anillos de ciclopentano dentro de las colas de hidrocarburos de los fosfolípidos con enlaces éster. La adición de estos anillos a la membrana permite un empaquetamiento aún más apretado de las moléculas de la membrana. Estos anillos de ciclopentano pueden existir en lípidos de tetraéter o lípidos de dieter. Al aumentar el número de átomos en el medio de la membrana, hay menos espacio para que los solutos entren o salgan de la célula. Esto ayuda nuevamente a controlar la cantidad de solutos que entran y salen de la célula. Los anillos de ciclopentano ayudan a amontonar la estructura interna de la membrana, lo que dificulta que los solutos atraviesen la membrana hacia el otro lado de la célula. Esto es muy importante para la célula porque en condiciones hipertermofílicas, los solutos viajan muy rápido, transportando mucha energía térmica del ambiente. Si la célula no tuviera estos anillos, es probable que demasiadas moléculas no deseadas atraviesen la membrana hacia adentro o hacia afuera de la célula. Esto daría como resultado la desaceleración o la detención completa de los procesos metabólicos que provocarían la muerte celular.
Si bien estos anillos de ciclopentano son extremadamente útiles para evitar que los solutos no deseados entren o salgan de la célula, no todas las arqueas los usan. Incluso se ven en psicrófilos , que son arqueas que requieren condiciones muy frías para sobrevivir (-15 ° C o menos). Esto es contradictorio porque las moléculas de ciclopentano ayudan a hacer que la membrana sea más rígida, que es algo que sucede de forma natural. No está claro por qué estos anillos se ven en ambos extremos del espectro de temperatura, pero está claro que cumplen otras funciones además de ralentizar la entrada o salida de moléculas en una célula.
Metabolismo
Debido a que organismos como P. fumarii viven en ambientes tan duros, estas arqueas han necesitado idear formas inusuales de recolectar energía del ambiente y protegerse contra el estrés por calor. P. fumarii , al igual que las plantas, pueden recolectar CO 2 del medio ambiente para construir sus biomoléculas, pero a diferencia de las plantas, toman electrones de H 2 en lugar de H 2 O y transfieren esos electrones a NO 3 - , SO 4 2− o O 2 . Este tipo de proceso metabólico se clasifica como quimiolitoautrofismo, lo que significa que su carbono proviene de una fuente inorgánica, su aceptor de electrones final no es el O 2 y producen y consumen sus propios alimentos.
Otra forma en que los hipertermófilos aseguran el correcto funcionamiento de sus proteínas es mediante el uso de proteínas de choque térmico (HSP). Si bien estas HSP no son exclusivas de los extremófilos, es extremadamente importante estudiarlas porque las HSP que se encuentran en los hipertermófilos son las más estables de su tipo. Las PAS también pueden prolongar la vida de un hipertermófilo incluso más allá de su temperatura óptima de crecimiento. Al estudiar estas proteínas, es posible aprender los mecanismos que utilizan las proteínas para estabilizar otras proteínas, lo que puede ayudar en la biosíntesis de nuevas moléculas. Las HSP actúan como proteínas chaperonas que ayudan a las proteínas enzimáticas a mantener su conformación adecuada durante más tiempo de lo que lo harían por sí mismas a temperaturas tan altas. Esto es parte de lo que permite que P. fumarii exista a temperaturas que durante mucho tiempo se creyeron demasiado calientes para que existiera la vida.
Los organismos más comunes que recolectan CO 2 para construir biomoléculas son las plantas y las bacterias fotosintéticas . Esos organismos en particular usan el ciclo de Calvin para su fijación de carbono . Sin embargo, P. fumarii y otros organismos similares contienen enzimas particulares que les permiten recolectar CO 2 a temperaturas muy por encima de las toleradas por las plantas y las bacterias fotosintéticas con mecanismos ligeramente diferentes. Las vías alternativas utilizadas por estos extremófilos son el ciclo rTCA, el ciclo 3-HP, el ciclo 3-HP / 4-HP o el ciclo DC / 4-HP. Estas son probablemente algunas de las primeras vías en evolucionar porque las bacterias y arqueas que las usan viven en ambientes que reflejan los ambientes primitivos de la Tierra. Por lo tanto, es probable que estas sean algunas de las primeras vías de fijación de carbono en evolucionar. El ciclo rTCA generalmente se observa en organismos que viven a temperaturas entre 20 y 90 ° C, mientras que los organismos que viven a temperaturas superiores a 90 ° C utilizan con mayor frecuencia el ciclo DC / 4-HP. El ciclo 3-HP / 4-HP es el más utilizado por termoacidófilos en el orden Sulfolobales .
Los ciclos rTCA, 3-HP y 3-HP / 4-HP son todos muy importantes para extremófilos particulares, pero el ciclo DC / 4-HP es el que usa P. fumarii . Por esta razón, este artículo analiza el ciclo DC / 4-HP en mayor profundidad e incluye más información sobre dos ciclos alternativos de fijación de carbono, con enlaces asociados.
El ciclo DC / 4-HP es una combinación del ciclo rTCA y la mitad de 4 HP del ciclo de 3 HP / 4 HP. Tanto el ciclo DC / 4-HP como el 3-HP / 4-HP comienzan con acetoacetil-CoA, que es una molécula que contiene dos grupos acetil-CoA , lo que permite que esta vía se ejecute dos veces con una sola molécula de partida. Luego, la acetil-CoA se convierte en piruvato y luego en PEP . El ciclo DC / 4-HP sigue luego el ciclo rTCA, convirtiendo la PEP en oxaloacetato , luego en malato , luego en fumarato y luego en succinato . Una vez que se forma el succinato, la vía sigue los mismos pasos que los observados en la vía 3-HP / 4-HP. El resultado final es la regeneración de acetoacetil-CoA permitiendo que el proceso comience de nuevo. Las únicas enzimas exclusivas de esta vía son la piruvato sintasa, piruvato: agua dikinasa y PEP carboxilasa. Debido a que muchos de los pasos en la vía DC / 4-HP se ven en otras vías, solo había unas pocas enzimas únicas en la vía DC / 4-HP, lo que dificulta determinar la existencia de esta vía durante mucho tiempo. . Esta vía solo se descubrió en P. fumarii hace unos años. El ciclo DC / 4-HP usa las mismas enzimas para convertir el oxaloacetato en succinil-CoA y todas las mismas enzimas que la vía 3-HP / 4-HP una vez que se forma el succinato.
Una molécula que se ha identificado como relacionada con los organismos hipertermofílicos es el fosfato de di-mioinositol (DIP). El inositol y otros derivados de fosfato de esta molécula son azúcares que se utilizan a menudo como mensajero secundario en las células eucariotas. Sin embargo, DIP solo se ha encontrado en células termofílicas y su uso dentro de las células se desconoce en gran medida. Un derivado de este azúcar llamado UDP-α-GlcNAc3NAc- (4 ← 1) -β-GlcpNAc3NAc se ha encontrado solo en P. fumarii . La función de este azúcar es desconocida, pero las formas fosforiladas de este azúcar se han encontrado en conjunción con UDP-α-Glc- NAc3NAc, que es un azúcar conocido para participar en la formación de la capa S . Estos azúcares UDP solo se encuentran cuando las células están en condiciones de crecimiento supra óptimas. Esto sugiere que estos azúcares son bloques de construcción dentro de la célula que permiten la creación de la capa S que protege a las bacterias Gram-positivas . Esta conexión con la capa S es extremadamente importante, porque se plantea la hipótesis de que la capa S se utiliza para ayudar a proteger la célula del estrés por calor asociado con los entornos hipertermofílicos. También se cree que la capa S ayuda a que las moléculas retrasen la salida o la entrada de la célula. Si bien estos resultados no son concluyentes, ayudan a dilucidar cómo se crea la capa S, que ha sido un misterio durante años.
Referencias
- ^ Vieille, C. & Zeikus, GJ "Enzimas hipertermófilas: fuentes, usos y mecanismos moleculares de termoestabilidad". Microbiol. Mol. Biol. Rev. 65 , 1-43 (2001).