Los hopanoides son una subclase diversa de triterpenoides con el mismo esqueleto hidrocarbonado que el compuesto hopano . Este grupo de moléculas pentacíclicas se refiere, por lo tanto, a los hopenos, hopanoles y hopanos simples, pero también a derivados ampliamente funcionalizados como los bacteriohopanopolioles (BHP) y los hopanoides unidos covalentemente al lípido A. [ 1] [2]
El primer hopanoide conocido, la hidroxihopanona, fue aislado por dos químicos de la National Gallery de Londres que trabajaban en la química de la goma dammar , una resina natural utilizada como barniz para pinturas. [3] Aunque a menudo se supone que los hopanoides se producen solo en bacterias, su nombre en realidad proviene de la abundancia de compuestos hopanoides en la resina de las plantas del género Hopea . A su vez, este género lleva el nombre de John Hope , el primer Guardián Regius del Real Jardín Botánico de Edimburgo .
Desde su descubrimiento inicial en una angiosperma , los hopanoides se han encontrado en membranas plasmáticas de bacterias , líquenes , briofitas , helechos , árboles tropicales y hongos . [4] Los hopanoides tienen estructuras policíclicas estables que están bien conservadas en depósitos de petróleo , rocas y sedimentos, lo que permite que los productos diagenéticos de estas moléculas se interpreten como biomarcadores de la presencia de microbios específicos y potencialmente de condiciones químicas o físicas en el momento de la deposición . [5] No se han detectado hopanoides en arqueas . [6] [7]
Alrededor del 10% de los genomas bacterianos secuenciados tienen un gen shc putativo que codifica una ciclasa de escualeno-hopeno y presumiblemente pueden producir hopanoides, que han demostrado desempeñar diversas funciones en la membrana plasmática y pueden permitir que algunos organismos se adapten en ambientes extremos. [8] [9]
Dado que los hopanoides modifican las propiedades de la membrana plasmática en las bacterias, se los compara con frecuencia con los esteroles (p. ej., el colesterol ), que modulan la fluidez de la membrana y cumplen otras funciones en los eucariotas . [10] Aunque los hopanoides no rescatan la deficiencia de esteroles, se cree que aumentan la rigidez de la membrana y disminuyen la permeabilidad. [9] [11] [12] Además, se ha demostrado que las gammaproteobacterias y los organismos eucariotas como los líquenes y las briofitas producen esteroles y hopanoides, lo que sugiere que estos lípidos pueden tener otras funciones distintas. [4] [13] En particular, la forma en que los hopanoides se empaquetan en la membrana plasmática puede cambiar dependiendo de qué grupos funcionales estén unidos. El hopanoide bacteriohopanetetrol asume una orientación transversal en las bicapas lipídicas , pero el diplopteno se localiza entre el folíolo interno y externo, presumiblemente engrosando la membrana para disminuir la permeabilidad. [14]
El hopanoide diplopterol ordena las membranas al interactuar con el lípido A , un lípido de membrana común en las bacterias, de manera similar a cómo interactúan el colesterol y los esfingolípidos en las membranas plasmáticas eucariotas. [10] Se demostró que el diplopterol y el colesterol promueven la condensación e inhiben la formación de la fase de gel tanto en monocapas de esfingomielina como en monocapas de lípido A modificado con glicano. Además, tanto el diplopterol como el colesterol podrían rescatar las transiciones de fase dependientes del pH en monocapas de lípido A modificado con glicano. [10] El papel de los hopanoides en la tolerancia ácida mediada por membrana está respaldado además por observaciones de crecimiento inhibido por ácido y anomalías morfológicas de la membrana plasmática en bacterias deficientes en hopanoides con ciclasas de escualeno-hopeno mutantes. [15] [16]
Los hopanoides se producen en varias bacterias fijadoras de nitrógeno . [9] En el actinomiceto Frankia , los hopanoides en las membranas de vesículas especializadas para la fijación de nitrógeno probablemente restrinjan la entrada de oxígeno al hacer que la bicapa lipídica sea más apretada y compacta. [17] En Bradyrhizobium , los hopanoides unidos químicamente al lípido A aumentan la estabilidad y rigidez de la membrana, mejorando la tolerancia al estrés y la supervivencia intracelular en las leguminosas Aeschynomene . [18] En la cianobacteria Nostoc punctiforme , grandes cantidades de 2-metilhopanoides se localizan en las membranas externas de las estructuras de supervivencia llamadas acinetos . [19] En otro ejemplo de tolerancia al estrés, se cree que los hopanoides en las hifas aéreas (estructuras portadoras de esporas) de la bacteria procariota del suelo Streptomyces minimizan la pérdida de agua a través de la membrana hacia el aire. [20]
Dado que los hopanoides son un terpenoide C 30 , la biosíntesis comienza con pirofosfato de isopentenilo (IPP) y pirofosfato de dimetilalilo (DMAP), que se combinan para formar isoprenoides de cadena más larga . [2] La síntesis de estos precursores más pequeños procede a través de la vía del mevalonato o la vía del metileritritol-4-fosfato dependiendo de la especie bacteriana, aunque esta última tiende a ser más común. [21] El DMAP se condensa con una molécula de IPP a pirofosfato de geranilo , que a su vez se condensa con otro IPP para generar pirofosfato de farnesilo (FPP) . [2] La escualeno sintasa , codificada por el gen sqs , cataliza luego la condensación de dos moléculas de FPP a pirofosfato de prescualeno (PSPP) antes de oxidar NADPH para liberar escualeno . [22] Sin embargo, algunas bacterias productoras de hopanoides carecen de la escualeno sintasa y en su lugar utilizan las tres enzimas HpnC, HpnD y HpnE, que están codificadas en el operón hpn junto con muchos otros genes de biosíntesis de hopanoides. [23] En esta vía de síntesis de escualeno alternativa pero aparentemente más extendida, la HpnD libera pirofosfato al condensar dos moléculas de FPP en PSPP, que la HpnC convierte en hidroxiescualeno, consumiendo una molécula de agua y liberando otro pirofosfato. Luego, el hidroxiescualeno se reduce a escualeno en una reacción de deshidratación mediada por la enzima HpnE dependiente de FAD . [22]
A continuación, una ciclasa de escualeno-hopeno cataliza una reacción de ciclización elaborada, involucrando al escualeno en una conformación de todas las sillas energéticamente favorable antes de crear 5 ciclos, 6 enlaces covalentes y 9 centros quirales en la molécula en un solo paso. [24] [25] Esta enzima, codificada por el gen shc ( también llamado hpnF en algunas bacterias), tiene un doble pliegue de barril ⍺ característico de la biosíntesis de terpenoides [26] y está presente en la célula como un homodímero monotópico , lo que significa que los pares de la ciclasa están incrustados en la membrana plasmática pero no la abarcan. [24] [27] In vitro , esta enzima exhibe una especificidad de sustrato promiscua, ciclando también el 2,3-oxidoscualeno . [28]
Los residuos aromáticos en el sitio activo forman varios carbocationes desfavorables en el sustrato que se extinguen mediante una policiclización rápida. [25] En el último subpaso de la reacción de ciclización, después de que los electrones que comprenden el enlace alqueno terminal en el escualeno hayan atacado al carbocatión hopenilo para cerrar el anillo E, el carbocatión C 22 puede extinguirse mediante mecanismos que conducen a diferentes productos hopanoides. El ataque nucleofílico del agua producirá diplopterol, mientras que la desprotonación en un carbono adyacente formará uno de varios isómeros de hopeno, a menudo diplopteno. [4]
Después de la ciclización, los hopanoides son modificados frecuentemente por enzimas de biosíntesis de hopanoides codificadas por genes en el mismo operón que shc , hpn . [29] Por ejemplo, la proteína SAM radical HpnH agrega un grupo adenosina al diplopteno, formando el hopanoide C 35 extendido adenosilhopano, que luego puede ser funcionalizado aún más por otros productos del gen hpn . [30] HpnG cataliza la eliminación de adenina del adenosilhopano para producir ribosil hopano, que reacciona para formar bacteriohopanetetrol (BHT) en una reacción mediada por una enzima desconocida. [31] Pueden ocurrir modificaciones adicionales cuando HpnO amina el hidroxilo terminal en BHT, produciendo amino bacteriohopanetriol, o cuando la glicosiltransferasa HpnI convierte BHT en N-acetilglucosaminil-BHT. [32] En secuencia, la proteína asociada a la biosíntesis de hopanoides HpnK media la desacetilación a glucosaminil-BHT, a partir de la cual la proteína SAM radical HpnJ genera un éter de ciclitol . [32]
Es importante destacar que los hopanoides C 30 y C 35 pueden ser metilados en las posiciones C 2 y C 3 por las metiltransferasas SAM radicales HpnP y HpnR, respectivamente. [33] [34] Estas dos metilaciones son particularmente geoestables en comparación con las modificaciones de la cadena lateral y han entretenido a los geobiólogos durante décadas. [9]
En una vía biosintética exclusiva de algunas bacterias, la enzima tetrahimanol sintasa cataliza la conversión del hopanoide diplopteno en el triterpenoide pentacíclico tetrahimanol . En eucariotas como Tetrahymena , el tetrahimanol es sintetizado directamente a partir del escualeno por una ciclasa sin homología con la tetrahimanol sintasa bacteriana. [35]
Se ha estimado que los hopanoides son los productos naturales más abundantes en la Tierra, permaneciendo en la fracción orgánica de todos los sedimentos, independientemente de su edad, origen o naturaleza. La cantidad total en la Tierra se estimó en 10 x 10 18 gramos (10 12 toneladas) en 1992. [36] Las biomoléculas como el ADN y las proteínas se degradan durante la diagénesis , pero los lípidos policíclicos persisten en el medio ambiente a lo largo de escalas de tiempo geológicas debido a sus estructuras fusionadas y estables. [37] Aunque los hopanoides y los esteroles se reducen a hopanos y esteranos durante la deposición, estos productos diagenéticos aún pueden ser biomarcadores útiles, o fósiles moleculares , para estudiar la coevolución de la vida temprana y la Tierra. [37] [38]
En la actualidad, los fósiles de triterpenoides indiscutibles más antiguos detectados son okenanos , esteranos y metilhopanos del Mesoproterozoico de una cuenca de 1,64 Ga (mil millones de años) de antigüedad en Australia. [39] Sin embargo, los análisis del reloj molecular estiman que los primeros esteroles probablemente se produjeron hace unos 2,3 Ga, aproximadamente al mismo tiempo que el Gran Evento de Oxidación , y que la síntesis de hopanoides surgió incluso antes. [40]
Por varias razones, se ha planteado la hipótesis de que los hopanoides y las ciclasas de escualeno-hopeno son más antiguos que los esteroles y las ciclasas de oxidoescualeno. En primer lugar, el diplopterol se sintetiza cuando el agua extingue el carbocatión C 22 formado durante la policiclización. Esto indica que los hopanoides se pueden producir sin oxígeno molecular y podrían haber servido como un sustituto de esterol antes de que la atmósfera acumulara oxígeno, que reacciona con el escualeno en una reacción catalizada por la escualeno monooxigenasa durante la biosíntesis de esteroles. [1] Además, el escualeno se une a las ciclasas de escualeno-hopeno en una conformación de baja energía, de todas las sillas, mientras que el oxidoescualeno se cicla en una conformación más tensa, de silla-barco-silla-barco. [4] [41] Las ciclasas de escualeno-hopeno también muestran una mayor promiscuidad de sustratos, ya que ciclan el oxidoescualeno in vitro , lo que lleva a algunos científicos a plantear la hipótesis de que son predecesores evolutivos de las ciclasas de oxidoescualeno. [41] Otros científicos han propuesto que las ciclasas de escualeno-hopeno y oxidoescualeno divergieron de un ancestro común, una supuesta ciclasa bacteriana que habría producido un producto malabaricanoide tricíclico o dammaranoide tetracíclico . [1] [42]
Los 2-metilhopanos, a menudo cuantificados como el índice 2-α-metilhopano, fueron propuestos por primera vez como un biomarcador para la fotosíntesis oxigénica por Roger Summons y colegas después del descubrimiento de los lípidos precursores, 2-metilhopanoles, en cultivos y esteras de cianobacterias . [43] El descubrimiento posterior de 2-α-metilhopanos supuestamente de cianobacterias fotosintéticas en esquistos de 2,7 Ga de antigüedad del Cratón de Pilbara en Australia Occidental sugirió una brecha de 400 Ma (millones de años) entre la evolución del metabolismo oxigénico y el Gran Evento de Oxidación. [44] Sin embargo, estos hallazgos fueron rechazados más tarde debido a la posible contaminación por hidrocarburos modernos. [45]
La supuesta presencia de cianobacterias sobre la base de abundantes 2-metilhopanos se ha utilizado para explicar la deposición de esquisto negro durante los eventos anóxicos oceánicos (OAEs) del Aptiano y Cenomaniano-Turoniano y las firmas isotópicas de 15 N asociadas que indican fijación de N 2 . [46] En contraste, los valores del índice de 2-α-metilhopano son relativamente bajos en sedimentos similares del Frasniano y Fameniano correspondientes al evento(s) de Kellwasser , [47] aunque se han reportado niveles más altos en secciones posteriores del Fameniano Inferior. [48]
El estatus de los 2-metilhopanoides como biomarcador de las cianobacterias fue cuestionado por una serie de descubrimientos microbiológicos. Se demostró que Geobacter sulfurreducens sintetiza diversos hopanoles, aunque no 2-metil-hopanoles, cuando se cultiva en condiciones estrictamente anaeróbicas. [8] Además, se descubrió que el fotótrofo anoxigénico Rhodopseudomonas palustris produce 2-metil-BHP solo en condiciones anóxicas. [49] Este último descubrimiento también condujo a la identificación del gen que codifica la metiltransferasa clave HpnP. [33] hpnP se identificó posteriormente en una acidobacterium y numerosas alfaproteobacterias , y el análisis filogenético del gen concluyó que se originó en las alfaproteobacterias y fue adquirido por las cianobacterias y acidobacterium a través de la transferencia horizontal de genes . [50]
Entre las cianobacterias, la producción de hopanoides se limita generalmente a las cianobacterias terrestres. Entre las cianobacterias marinas, los experimentos de cultivo realizados por Helen Talbot y sus colegas concluyeron que solo dos especies marinas ( Trichodesmium y Crocosphaera) producían bacteriohopanopolioles. [51] Una búsqueda posterior basada en genes de hpnP en genomas de cianobacterias disponibles y genomas ensamblados de metagenoma (MAG) arrojó conclusiones similares, identificando el gen en ~30% de las especies terrestres y de agua dulce, y solo en uno de los 739 genomas de cianobacterias marinas y MAG. [52] Además, Nostoc punctiforme produce la mayor cantidad de 2-metilhopanoides cuando se diferencia en acinetos . Estas estructuras celulares resistentes al frío y a la desecación están inactivas y, por lo tanto, no son fotosintéticamente activas, lo que desafía aún más la asociación entre los 2-metilhopanos y la fotosíntesis oxigénica. [19]
Las investigaciones que demuestran que la bacteria oxidante de nitritos (NOB) Nitrobacter vulgaris aumenta su producción de 2-metilhopanoideos 33 veces cuando se la complementa con cobalamina han contribuido a una explicación no cianobacteriana de la abundancia observada de 2-metilhopanoideos asociada con las OAE del Cretácico. Felix Elling y sus colegas proponen que la circulación inversa trajo aguas profundas ricas en amoníaco y cobalto a la superficie, promoviendo la oxidación aeróbica de nitrito y la síntesis de cobalamina, respectivamente. Este modelo también aborda la notable falta de 2-metilhopanoideos asociada con los eventos de sapropel mediterráneos y en los sedimentos del Mar Negro moderno . Debido a que ambos entornos presentan mucho menos afloramiento, las NOB productoras de 2-metilhopanoideos, como N. vulgaris, son superadas por NOB con mayor afinidad por el nitrito y bacterias anammox . [52]
Un estudio ambiental realizado por Jessica Ricci y coautores utilizando metagenomas y bibliotecas de clones encontró una correlación significativa entre las comunidades microbianas asociadas a las plantas y la presencia de hpnP , en base a lo cual proponen que los 2-metilhopanoides son un biomarcador para comunidades microbianas sésiles con alta osmolaridad y baja en oxígeno y nitrógeno fijado. [53]
Los 3-metilhopanoides se han asociado históricamente con la metanotrofia aeróbica según experimentos de cultivo [54] y la coocurrencia con metanótrofos aeróbicos en el medio ambiente. [55] Como tal, la presencia de 3-metilhopanos, junto con el agotamiento de 13 C, se consideran marcadores de la metanotrofia aeróbica antigua. [34] Sin embargo, se sabe desde hace décadas que las bacterias del ácido acético también producen 2-metilhopanoides. [54] Además, tras su identificación de hpnR , el gen responsable de la metilación de hopanoides en la posición C 3 , Paula Welander y Roger Summons identificaron supuestos homólogos de hpnR en miembros de alfa -, beta - y gammaproteobacteria , actinomycetota , nitrospirota , el filo candidato NC10 y una acidobacterium , así como en tres metagenomas. Por ello, Welander y Summons concluyen que los 3-metilhopanoides por sí solos no pueden constituir evidencia de metanotrofia aeróbica. [34]
El elegante mecanismo detrás de la actividad protonasa de la escualeno-hopeno ciclasa fue apreciado y adaptado por ingenieros químicos de la Universidad de Stuttgart, Alemania. La ingeniería del sitio activo resultó en la pérdida de la capacidad de la enzima para formar hopanoides, pero permitió la catálisis ácida de Brønsted para la ciclización estereoselectiva de los monoterpenoides geraniol , epoxigeraniol y citronelal . [56]
Se ha propuesto y patentado la aplicación de hopanoides y fijadores de nitrógeno productores de hopanoides al suelo como una técnica de biofertilización que aumenta la resistencia ambiental de los simbiontes microbianos asociados a las plantas, incluidas las bacterias fijadoras de nitrógeno que son esenciales para transformar el nitrógeno atmosférico en formas solubles disponibles para los cultivos. [57]
Durante estudios posteriores de interacciones entre diplopterol y lípido A en Methylobacterium extorquens , se descubrió que el transporte de múltiples fármacos era un proceso dependiente de hopanoides. Los mutantes de ciclasa de escualeno-hopeno derivados de un tipo salvaje capaz de eflujo de múltiples fármacos , un mecanismo de resistencia a fármacos mediado por proteínas de transporte integrales, perdieron la capacidad de realizar tanto el transporte de múltiples fármacos como la síntesis de hopanoides. [12] Los investigadores indican que esto podría deberse a la regulación directa de las proteínas de transporte por hopanoides o indirectamente al alterar el orden de la membrana de una manera que interrumpe el sistema de transporte. [12]