Deinococcus radiodurans es una bacteria , un extremófilo y uno de los organismos más resistentes a la radiación que se conocen. Puede sobrevivir al frío, la deshidratación , el vacío y el ácido , por lo que se le conoce como poliextremófilo . El Libro Guinness de los Récords Mundiales lo incluyó [ ¿cuándo? ] como la bacteria más resistente conocida del mundo. [1] [ necesita cotización para verificar ] [2]
El nombre Deinococcus radiodurans deriva del griego antiguo δεινός ( deinos ) y κόκκος ( kokkos ) que significa "grano/baya terrible" y del latín radio y durare , que significa "radiación sobreviviente". La especie se llamaba antiguamente Micrococcus radiodurans . Como consecuencia de su robustez, se le ha apodado “Conan la Bacteria”, en referencia a Conan el Bárbaro . [3]
Inicialmente, se colocó en el género Micrococcus . Después de la evaluación de las secuencias de ARN ribosomal y otras pruebas, se colocó en su propio género Deinococcus , que está estrechamente relacionado con el género Thermus . [4]
Deinococcus es un género de tres del orden Deinococcales . D. radiodurans es la especie tipo de este género y el miembro mejor estudiado. Todos los miembros conocidos del género son radiorresistentes: D. proteolyticus , D. radiopugnans , D. radiophilus , D. grandis , D. indicus , D. frigens , D. saxicola , D. marmoris , D. deserti , [5] D. geothermalis y D. murrayi ; los dos últimos también son termófilos . [6]
D. radiodurans fue descubierto en 1956 por Arthur Anderson en la Estación Experimental Agrícola de Oregón en Corvallis, Oregón . [7] Se estaban realizando experimentos para determinar si los alimentos enlatados podían esterilizarse utilizando altas dosis de radiación gamma . Se expuso una lata de carne a una dosis de radiación que se pensaba que mataba todas las formas de vida conocidas, pero posteriormente la carne se echó a perder y se aisló D. radiodurans . [ cita necesaria ]
La secuencia completa de ADN de D. radiodurans fue publicada en 1999 por el Instituto de Investigación Genómica . En 2001 aparecieron una anotación y un análisis detallados del genoma. [4] La cepa secuenciada fue ATCC BAA-816.
Deinococcus radiodurans tiene una cualidad única en la que puede reparar ADN tanto monocatenario como bicatenario . Cuando el daño es evidente en la célula, lleva el ADN dañado a una estructura compartimental en forma de anillo donde se repara el ADN y luego puede fusionar los nucleoides del exterior del compartimento con el ADN dañado. [8]
En agosto de 2020, los científicos informaron que se descubrió que las bacterias de la Tierra, en particular la bacteria Deinococcus radiodurans , sobrevivían durante tres años en el espacio exterior , según estudios realizados en la Estación Espacial Internacional (ISS). Estos hallazgos apoyan la noción de panspermia , la hipótesis de que la vida existe en todo el Universo , distribuida de diversas formas, incluyendo polvo espacial , meteoroides , asteroides , cometas , planetoides o naves espaciales contaminadas . [9] [10]
D. radiodurans es una bacteria esférica bastante grande, con un diámetro de 1,5 a 3,5 μm . [11] Normalmente, cuatro células se unen formando una tétrada. Las bacterias se cultivan fácilmente y no parecen causar enfermedades. [4] En condiciones de crecimiento controlado, se pueden obtener células con morfologías de dímero, tetrámero e incluso multímero. [11] Las colonias son lisas, convexas y de color rosa a rojo. Las células se tiñen Gram positivas , aunque su envoltura celular es inusual y recuerda a las paredes celulares de las bacterias Gram negativas . [12]
Deinococcus radiodurans no forma endosporas y no es móvil. Es un quimioorganoheterótrofo aeróbico obligado , es decir, utiliza oxígeno para obtener energía de los compuestos orgánicos de su entorno. A menudo se encuentra en hábitats ricos en materiales orgánicos, como aguas residuales, carne, heces o suelo, pero también se ha aislado de instrumentos médicos, polvo ambiental, textiles y alimentos secos. [12]
Es extremadamente resistente a las radiaciones ionizantes , la luz ultravioleta , la desecación y los agentes oxidantes y electrófilos . [13]
Se pueden utilizar ensayos de PCR y técnicas de hibridación fluorescente in situ (FISH) para detectar D. radiodurans en la naturaleza. [ cita necesaria ]
Su genoma está formado por dos cromosomas circulares , uno de 2,65 millones de pares de bases de largo y el otro de 412.000 pares de bases, así como un megaplasmido de 177.000 pares de bases y un plásmido de 46.000 pares de bases. Tiene aproximadamente 3.195 genes . En su fase estacionaria, cada célula bacteriana contiene cuatro copias de este genoma; cuando se multiplica rápidamente, cada bacteria contiene de 8 a 10 copias del genoma. [ cita necesaria ]
Deinococcus radiodurans es capaz de soportar una dosis aguda de 5.000 grays (Gy), o 500.000 rad, de radiación ionizante casi sin pérdida de viabilidad, y una dosis aguda de 15.000 Gy con un 37% de viabilidad. [14] [15] [16] Se estima que una dosis de 5.000 Gy introduce varios cientos de roturas de doble hebra (DSB) en el ADN del organismo (~0,005 DSB/Gy/Mbp (genoma haploide)). A modo de comparación, una radiografía de tórax o una misión Apolo implica aproximadamente 1 mGy, 5 Gy pueden matar a un ser humano, 200 a 800 Gy matarán a E. coli y más de 4000 Gy matarán al tardígrado resistente a la radiación . [ cita necesaria ]
Actualmente se conocen varias bacterias de radiorresistencia comparable, incluidas algunas especies del género Chroococcidiopsis (filo cianobacterias ) y algunas especies de Rubrobacter (filo Actinomycetota ); entre las arqueas , la especie Thermococcus gammatolerans muestra una radiorresistencia comparable. [6] Deinococcus radiodurans también tiene una capacidad única para reparar el ADN dañado. Aísla los segmentos dañados en una zona controlada y los repara. Estas bacterias también pueden reparar muchos fragmentos pequeños de un cromosoma completo. [17]
Deinococcus logra su resistencia a la radiación al tener múltiples copias de su genoma y mecanismos rápidos de reparación del ADN . Por lo general, repara las roturas de sus cromosomas en un plazo de 12 a 24 horas mediante un proceso de dos pasos. Primero, D. radiodurans reconecta algunos fragmentos de cromosomas mediante un proceso llamado recocido monocatenario . En el segundo paso, múltiples proteínas reparan las roturas de la doble hebra mediante recombinación homóloga . Este proceso no introduce más mutaciones que las que introduciría una ronda normal de replicación. En teoría, Deinococcus debería tener poca o ninguna acumulación de mutaciones. [ cita necesaria ]
El análisis de microscopía electrónica de barrido ha demostrado que el ADN de D. radiodurans está organizado en toroides muy compactos , lo que puede facilitar la reparación del ADN. [18]
Un equipo de investigadores croatas y franceses dirigidos por Miroslav Radman bombardeó D. radiodurans para estudiar el mecanismo de reparación del ADN. Al menos dos copias del genoma, con roturas aleatorias del ADN, pueden formar fragmentos de ADN mediante recocido . Luego, los fragmentos parcialmente superpuestos se utilizan para la síntesis de regiones homólogas a través de un bucle D en movimiento que puede continuar la extensión hasta que los fragmentos encuentren cadenas asociadas complementarias . En el paso final se produce un cruce mediante recombinación homóloga dependiente de RecA . [19]
Deinococcus radiodurans es capaz de realizar transformación genética, un proceso mediante el cual el ADN derivado de una célula puede ser absorbido por otra célula e integrado en el genoma receptor mediante recombinación homóloga. [20] Cuando los daños en el ADN (por ejemplo, dímeros de pirimidina) se introducen en el ADN donante mediante irradiación UV, las células receptoras reparan eficientemente los daños en el ADN en transformación, como lo hacen en el ADN celular, cuando las propias células se irradian.
Michael Daly ha sugerido que la bacteria utiliza complejos de manganeso como antioxidantes para protegerse contra el daño de la radiación. [21] En 2007, su equipo demostró que los altos niveles intracelulares de manganeso (II) en D. radiodurans protegen a las proteínas de la oxidación por la radiación, y propusieron la idea de que "las proteínas, más que el ADN, son el principal objetivo de la acción biológica". de [radiación ionizante] en bacterias sensibles, y la resistencia extrema en bacterias que acumulan Mn se basa en la protección de las proteínas". [22] En 2016, Massimiliano Peana et al . informaron un estudio espectroscópico mediante técnicas de RMN, EPR y ESI-MS sobre la interacción de Mn(II) con dos péptidos, DP1 (DEHGTAVMLK) y DP2 (THMVLAKGED), cuya composición de aminoácidos se seleccionó para incluir la mayoría de los aminoácidos más prevalentes. ácidos presentes en un extracto libre de células de la bacteria Deinococcus radiodurans que contiene componentes capaces de conferir una resistencia extrema a las radiaciones ionizantes. [23] En 2018, M. Peana y C. Chasapis informaron mediante un enfoque combinado de estrategias bioinformáticas basadas en datos estructurales y anotaciones, las proteínas de unión a Mn (II) codificadas por el genoma de DR y propusieron un modelo para la interacción del manganeso con Red de proteoma DR implicada en la respuesta y defensa de ROS. [24]
Un equipo de científicos rusos y estadounidenses propuso que la radiorresistencia de D. radiodurans tenía un origen marciano . Sugirieron que la evolución del microorganismo podría haber tenido lugar en la superficie marciana hasta que fue entregado a la Tierra en un meteorito . [25] Sin embargo, aparte de su resistencia a la radiación, Deinococcus es genética y bioquímicamente muy similar a otras formas de vida terrestres, argumentando en contra de un origen extraterrestre que no les es común.
En 2009, se informó que el óxido nítrico desempeña un papel importante en la recuperación de las bacterias de la exposición a la radiación: el gas es necesario para la división y la proliferación después de que se ha reparado el daño del ADN. Se describió un gen que aumenta la producción de óxido nítrico después de la radiación ultravioleta y, en ausencia de este gen, las bacterias aún podían reparar el daño del ADN, pero no crecerían. [26]
Una pregunta persistente con respecto a D. radiodurans es cómo podría evolucionar un grado tan alto de radiorresistencia. Los niveles de radiación natural de fondo son muy bajos: en la mayoría de los lugares, del orden de 0,4 mGy por año, y la radiación de fondo más alta conocida, cerca de Ramsar , Irán, es de sólo 260 mGy por año. Dado que los niveles de radiación de fondo que ocurren naturalmente son tan bajos, es poco probable que los organismos desarrollen mecanismos específicos para protegerse de los efectos de la alta radiación. En el pasado geológico lejano, existía una mayor radiación de fondo debido a que más radionucleidos primordiales aún no se habían desintegrado y debido a efectos de cosas como los reactores naturales de fisión nuclear en Oklo, Gabón, que estuvieron activos hace unos 1.700 millones de años. Sin embargo, incluso si las adaptaciones a tales condiciones evolucionaran durante ese tiempo, es casi seguro que la deriva genética las habría eliminado si no proporcionaran (otro) beneficio evolutivo. [ cita necesaria ]
Valerie Mattimore, de la Universidad Estatal de Luisiana, ha sugerido que la radiorresistencia de D. radiodurans es simplemente un efecto secundario de un mecanismo para hacer frente a la desecación celular prolongada (sequedad). Para respaldar esta hipótesis, realizó un experimento en el que demostró que las cepas mutantes de D. radiodurans que son altamente susceptibles al daño por radiación ionizante también lo son al daño por desecación prolongada, mientras que la cepa de tipo salvaje es resistente a ambas. También se demostró que la desecación induce roturas de la doble cadena del ADN con patrones similares a la radiación ionizante extrema. [27] Además de la reparación del ADN, D. radiodurans utiliza la expresión de proteínas LEA ( proteínas abundantes en embriogénesis tardía ) [28] para proteger contra la desecación. [29]
En este contexto, también la robusta capa S de D. radiodurans a través de su principal complejo proteico, el complejo de unión a deinoxantina de la capa S (SDBC), contribuye en gran medida a su extrema radiorresistencia. De hecho, esta capa S actúa como un escudo contra el estrés electromagnético, como en el caso de la exposición a radiaciones ionizantes, pero también estabiliza la pared celular contra las posibles altas temperaturas y la desecación consiguientes. [30] [31]
Se ha demostrado que Deinococcus radiodurans tiene un gran potencial para ser utilizado en diferentes campos de investigación. No sólo se ha modificado genéticamente D. radiodurans para aplicaciones de biorremediación , sino que también se ha descubierto que podría desempeñar un papel importante en la investigación biomédica y en la nanotecnología .
La biorremediación se refiere a cualquier proceso que utiliza microorganismos, hongos, plantas o enzimas derivadas de ellos, para devolver un ambiente alterado por contaminantes a su condición natural. Grandes áreas de suelos, sedimentos y aguas subterráneas están contaminadas con radionucleidos , metales pesados y solventes tóxicos. Hay microorganismos que son capaces de descontaminar suelos con metales pesados inmovilizándolos, pero en el caso de los residuos nucleares, las radiaciones ionizantes limitan la cantidad de microorganismos que pueden ser útiles. En este sentido, D. radiodurans , por sus características, puede utilizarse para el tratamiento de residuos de energía nuclear . Deinococcus radiodurans ha sido modificado genéticamente para consumir y digerir disolventes y metales pesados en estos entornos radiactivos. El gen mercúrico reductasa se ha clonado de Escherichia coli en Deinococcus para desintoxicar el residuo de mercurio iónico que se encuentra frecuentemente en los desechos radiactivos generados por la fabricación de armas nucleares . [32] Esos investigadores desarrollaron una cepa de Deinococcus que podría desintoxicar tanto el mercurio como el tolueno en desechos radiactivos mixtos. Además, se han introducido un gen que codifica una fosfatasa ácida no específica de Salmonella enterica , serovar Typhi, [33] y el gen de la fosfatasa alcalina de Sphingomonas [34] en cepas de D. radiodurans para la bioprecipitación de uranio en soluciones ácidas y alcalinas. , respectivamente.
En el campo biomédico, Deinococcus radiodurans podría utilizarse como modelo para estudiar los procesos que conducen al envejecimiento y al cáncer . Las principales causas de estos cambios fisiológicos están relacionadas con el daño en el ADN , ARN y proteínas resultante del estrés oxidativo , el debilitamiento de la defensa antioxidante y la incapacidad de los mecanismos de reparación para hacer frente al daño originado por las especies reactivas de oxígeno , también conocidas como ROS. En este sentido, los mecanismos de protección contra el daño oxidativo y de reparación del ADN de D. radiodurans podrían ser el punto de partida de investigaciones encaminadas a desarrollar procedimientos médicos para prevenir el envejecimiento y el cáncer . [35] Algunas líneas de investigación se centran en la aplicación de sistemas antioxidantes de D. radiodurans en células humanas para prevenir el daño por ROS y el estudio del desarrollo de resistencia a la radiación en células tumorales. [36]
También se ha descrito una aplicación nanotecnológica de D. radiodurans en la síntesis de nanopartículas de plata [37] y oro [38] . Mientras que los métodos químicos y físicos para producir estas nanopartículas son costosos y generan una enorme cantidad de contaminantes , los procesos biosintéticos representan una alternativa ecológica y más económica. La importancia de estas nanopartículas depende de sus aplicaciones médicas, ya que se ha demostrado que exhiben actividad contra bacterias patógenas, efectos antiincrustantes y citotoxicidad para las células tumorales.
Además, existen otras aplicaciones poco comunes de Deinococcus radiodurans . El Instituto Craig Venter ha utilizado un sistema derivado de los mecanismos rápidos de reparación del ADN de D. radiodurans para ensamblar fragmentos de ADN sintético en cromosomas , con el objetivo final de producir un organismo sintético al que llaman Mycoplasma laboratorium . [39] En 2003, científicos estadounidenses demostraron que D. radiodurans podría utilizarse como medio de almacenamiento de información que podría sobrevivir a una catástrofe nuclear. Tradujeron la canción " It's a Small World " en una serie de segmentos de ADN de 150 pares de bases de largo, los insertaron en las bacterias y pudieron recuperarlos sin errores 100 generaciones de bacterias después. [40]
Cuando se cultiva y se expone a radiaciones ionizantes en medios líquidos, Deinococcus radiodurans podría sobrevivir hasta 25 kGy. [41] Horne et al. (2022) han estudiado los efectos de la desecación y la congelación sobre la supervivencia microbiana a las radiaciones ionizantes considerando los estudios de viabilidad para devolver muestras de suelo del subsuelo marciano para la caracterización microbiana y para determinar los lugares de aterrizaje más favorables para una futura misión de exploración robótica. [42] Descubrieron que las células desecadas y congeladas podían resistir una dosis de radiación 5,6 veces mayor: hasta 140 kGy. Calcularon que esto podría corresponder a un tiempo de supervivencia teórico de 280 millones de años a una profundidad de 33 pies (10 m) debajo de la actual superficie de Marte. Sin embargo, esta escala de tiempo es demasiado corta para permitir la supervivencia microbiana a una profundidad accesible para un rover equipado con un sistema de perforación debajo de la superficie marciana en comparación con el momento en que el agua líquida desapareció de la superficie marciana (hace 2 – 2,5 Ga). Sin embargo, Horne et al. (2022) consideran la hipótesis de que los impactos de meteoritos podrían haber dispersado el suelo marciano y calentado localmente el subsuelo durante la historia geológica de Marte, calentando esporádicamente de vez en cuando el ambiente local, derritiendo el hielo congelado y dando quizás una oportunidad a un hipotético planeta marciano distante. extremófilo parecido a su primo terrestre Deinococcus radiodurans vuelva a crecer durante un breve momento antes de volver a congelarse rápidamente y permanecer inactivo durante millones de años. Por lo tanto, para devolver muestras de suelo del subsuelo de Marte para su caracterización microbiana con una misión potencialmente "exitosa" como la del rover europeo Rosalind Franklin , sería necesario apuntar a un cráter de impacto relativamente joven para aumentar las posibilidades de descubrir microorganismos extremófilos latentes que sobrevivan en El ambiente seco y congelado del subsuelo marciano está relativamente protegido de las letales radiaciones ionizantes. [41]
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