Pyrococcus furiosus es unaespecie modelo de arquea heterótrofa , estrictamente anaeróbica y extremófila .Se clasifica como hipertermófila porque prospera mejor en temperaturas extremadamente altas y se destaca por tener una temperatura óptima de crecimiento de 100 °C (una temperatura que destruiría la mayoría de los organismos vivos). [1] P. furiosus pertenece al género Pyrococcus , que se encuentra más comúnmente en condiciones ambientales extremas de fuentes hidrotermales . Es uno de los pocosorganismos procariotas que tiene enzimas que contienen tungsteno , un elemento que rara vez se encuentra en las moléculas biológicas.
Pyrococcus furiosus tiene muchas aplicaciones industriales potenciales, debido a sus propiedades termoestables únicas . P. furiosus se utiliza en el proceso de amplificación de ADN mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) debido a su actividad de corrección de errores. El uso de P. furiosus en la amplificación de ADN por PCR en lugar de la ADN polimerasa Taq utilizada tradicionalmente permite un proceso significativamente más preciso. [2] La estabilidad termodinámica de las enzimas de P. furiosus es útil en la creación de dioles para fines industriales y de laboratorio. Ciertas superóxido dismutasas que se encuentran en P. furiosus se pueden introducir en las plantas para aumentar su tolerancia en condiciones ambientales estresantes y, en última instancia, su supervivencia. [3]
Pyrococcus furiosus es una arquea heterotrófica , estrictamente anaeróbica y reductora de azufre, aislada originalmente de sedimentos calentados en Vulcano, Italia, por Fiala y Stetter. Se destaca por su rápido tiempo de duplicación de 37 minutos en condiciones óptimas, lo que significa que cada 37 minutos el número de organismos individuales se multiplica por dos, lo que produce una curva de crecimiento exponencial. Cada organismo está rodeado por una envoltura celular compuesta de glicoproteína llamada capa S. Aparece como cocos mayoritariamente regulares , lo que significa que es aproximadamente esférico, de 0,8 μm a 1,5 μm de diámetro con flagelación politrica monopolar . [1]
Una glicoproteína característica de las especies de arqueas constituye la mayor parte de la composición de los flagelos de P. furiosus . Además de su posible uso para nadar, estos flagelos se observaron en condiciones de laboratorio en uso para aplicaciones únicas, como la formación de conexiones entre células durante la fase de crecimiento estacionario. Además, se utilizan como conectores tipo cable para adherirse a diversas superficies sólidas, como granos de arena, en el hábitat en el que se descubrió esta especie. Esto puede conducir a la formación de estructuras similares a biopelículas microcoloniales .
P. furiosus crece entre 70 °C (158 °F ) y 103 °C (217 °F), con una temperatura óptima de 100 °C (212 °F), y entre pH 5 y 9 (con un óptimo a pH 7). Dado que utiliza la fermentación de carbohidratos, crece bien en extracto de levadura, maltosa , celobiosa , β-glucanos, almidón y fuentes de proteínas (triptona, peptona, caseína y extractos de carne) a través de la vía de Embden-Meyerhoff. Esta es una gama relativamente amplia de fuentes en comparación con otras arqueas. El crecimiento es muy lento, o inexistente, en aminoácidos, ácidos orgánicos, alcoholes y la mayoría de los carbohidratos (incluyendo glucosa , fructosa , lactosa y galactosa ). Los productos metabólicos de P. furiosus son CO 2 y H 2 . La presencia de hidrógeno inhibe gravemente su crecimiento y metabolismo; Sin embargo, este efecto se puede evitar introduciendo azufre en el entorno del organismo. En este caso, el H2S se puede producir a través de sus procesos metabólicos aparentemente con el propósito de desintoxicación o conservación de energía, no de producción de energía. Mientras que muchos otros hipertermófilos dependen del azufre para crecer, P. furiosus no lo hace. [4]
P. furiosus también es notable por un sistema respiratorio inusual e intrigantemente simple, que obtiene energía al reducir protones a gas hidrógeno y utiliza esta energía para crear un gradiente electroquímico a través de su membrana celular, impulsando así la síntesis de ATP . Este podría ser un precursor evolutivo muy temprano de los sistemas respiratorios en todos los organismos superiores actuales. [5]
En 2001, científicos del Instituto de Biotecnología de la Universidad de Maryland completaron la secuenciación del genoma completo de Pyrococcus furiosus . El equipo de Maryland descubrió que el genoma tiene 1.908 kilobases, incluidos 2.065 marcos de lectura abiertos (ORF) que codifican proteínas. [6] Un estudio realizado en 2005 reveló 17 nuevos ORF específicos de Pyrococcus furiosus que no estaban anotados originalmente, lo que elevó el número de ORF a 2.082. [7]
Una cepa de laboratorio de Pyrococcus furiosus llamada COM1 se utiliza comúnmente por su "alta plasticidad" y capacidad para absorber ADN extraño, debido a su alta actividad de recombinación y transposón . Tiene 1.571 pares de bases más que el genoma de referencia del NCBI y 10 secuencias de inserción (IS) más. Estas IS han desactivado 13 genes y muchos más están alterados, pero el crecimiento de la cepa todavía es comparable al de su cepa parental. [8]
Pyrococcus furiosus posee varias alcohol deshidrogenasas (ADH) altamente termoestables : la AdhA de cadena corta, la AdhB que contiene hierro, la AdhC que contiene zinc y más. [9] [10] Cada una de estas ADH dependen del NADP y sirven para reponer el NADP + utilizando el NADPH producido por la fermentación para reducir los aldehídos a alcoholes. Los aldehídos también son productos de la fermentación y son tóxicos para la célula, por lo que es necesario eliminarlos. Las ADH de P. furiosus suelen tener una amplia gama de sustratos de aldehído que pueden utilizar, y también pueden catalizar la reacción inversa (oxidación de alcoholes) utilizando etanol, 1,3-propanodiol y otros alcoholes como sustrato. Al igual que con la mayoría de las enzimas de las arqueas, las ADH son sensibles al oxígeno. [11]
Pyrococcus furiosus tiene cinco oxidorreductasas únicas que contienen tungsteno que son parte de su vía glucolítica independiente de NAD(P)H . Estas enzimas funcionan óptimamente por encima de los 90 °C. La primera en ser descubierta fue la aldehído ferredoxina oxidorreductasa, o AOR, que utiliza tungsteno, azufre y hierro para catalizar la oxidación de aldehídos y reducir la ferredoxina (siendo este el portador de electrones en lugar de NAD(P)H). [12] Como esta fue la primera, se dice que todas las oxidorreductasas que contienen tungsteno son parte de la familia AOR. La siguiente oxidorreductasa que se descubrió fue la gliceraldehído-3-fosfato ferredoxina oxidorreductasa, o GAPOR, que utiliza tungsteno y hierro para catalizar la oxidación de específicamente gliceraldehído-3-fosfato. GAPOR solo funciona en condiciones anaeróbicas, como con muchas enzimas en P. furiosus . [13] Otra oxidorreductasa es la oxidorreductasa de formaldehído ferredoxina, o FOR, que cataliza la oxidación de aldehídos en ácidos carboxílicos . Esta enzima utiliza cuatro tipos de cofactores: tungsteno, hierro, azufre y calcio. [14] La siguiente oxidorreductasa, WOR4, no ayuda a oxidar aldehídos, sino que tiene un papel en la reducción de azufre elemental (S0 ) en H2S . Esta utiliza los mismos cofactores que FOR, y solo se encuentra en células de P. furiosus que se cultivan en presencia de azufre elemental. [15] La quinta y última oxidorreductasa se llama WOR5, y tiene una amplia especificidad para especies de aldehídos aromáticos y alifáticos . [16]
Una especie de oxidorreductasa presente en P. furiosus que no contiene tungsteno es la piruvato ferredoxina oxidorreductasa, o POR, que cataliza el paso final de la vía glucolítica. Es posible que POR sea un antecesor de las piruvato oxidorreductasas mesófilas. [17] También existe la indolpiruvato ferredoxina oxidorreductasa, o IOR, que utiliza hierro y azufre para catalizar la " descarboxilación oxidativa de los piruvatos de arilo ". [18]
Se descubrió una ADN polimerasa en P. furiosus que se pensaba que no estaba relacionada con otras ADN polimerasas conocidas, ya que no se encontró una homología de secuencia significativa entre sus dos proteínas y las de otras ADN polimerasas conocidas. Esta ADN polimerasa tiene una fuerte actividad exonucleolítica de 3' a 5' y una preferencia de plantilla-cebador que es característica de una ADN polimerasa replicativa, lo que llevó a los científicos a creer que esta enzima puede ser la ADN polimerasa replicativa de P. furiosus . [19] Desde entonces se ha colocado en la familia B de polimerasas, la misma familia que la ADN polimerasa II. Su estructura, que parece bastante típica de la polimerasa B, también se ha resuelto. [20] [21]
Dado que las enzimas de P. furiosus son extremadamente termoestables, la ADN polimerasa de P. furiosus (también conocida como ADN polimerasa Pfu ) se puede utilizar en el proceso de amplificación de ADN por reacción en cadena de la polimerasa (PCR). El proceso de PCR debe utilizar una ADN polimerasa termoestable para la amplificación in vitro automatizada y originalmente utilizaba la ADN polimerasa Taq . [22] Sin embargo, dado que la ADN polimerasa Taq purificada carece de actividad exonucleasa (corrección de pruebas), no puede eliminar los nucleótidos no coincidentes . Los investigadores descubrieron a principios de la década de 1990 que la ADN polimerasa Pfu de P. furiosus posee en realidad una actividad exonucleasa 3' a 5' necesaria que permite la eliminación de errores. Pruebas posteriores que utilizan la ADN polimerasa Pfu en el proceso de PCR revelaron una mejora de más de diez veces sobre la precisión del uso de la ADN polimerasa Taq . [2]
Una aplicación práctica de P. furiosus es la producción de dioles para diversos procesos industriales. Es posible utilizar las enzimas de P. furiosus para aplicaciones en industrias como la alimentaria, la farmacéutica y la química fina, en las que las alcohol deshidrogenasas son necesarias para la producción de dioles enantio y diastereoméricamente puros. Las enzimas de los hipertermófilos como P. furiosus pueden funcionar bien en procesos de laboratorio porque son relativamente resistentes: generalmente funcionan bien a altas temperaturas y altas presiones, así como en altas concentraciones de productos químicos.
Para que las enzimas de origen natural sean útiles en el laboratorio, a menudo es necesario alterar su composición genética. De lo contrario, las enzimas naturales pueden no ser eficientes en un procedimiento inducido artificialmente. Aunque las enzimas de P. furiosus funcionan de manera óptima a una temperatura alta, los científicos no necesariamente quieren llevar a cabo un procedimiento a 100 °C (212 °F). Por lo tanto, en este caso, la enzima específica AdhA se tomó de P. furiosus y se sometió a varias mutaciones en un laboratorio para obtener una alcohol deshidrogenasa adecuada para su uso en procesos artificiales. Esto permitió a los científicos obtener una enzima mutante que podría funcionar de manera eficiente a temperaturas más bajas y mantener la productividad. [23]
La expresión de un determinado gen que se encuentra en P. furiosus en las plantas también puede hacerlas más duraderas al aumentar su tolerancia al calor. En respuesta a factores de estrés ambientales como la exposición al calor, las plantas producen especies reactivas de oxígeno que pueden provocar la muerte celular. Si se eliminan estos radicales libres, se puede retrasar la muerte celular. Las enzimas de las plantas llamadas superóxido dismutasas eliminan los radicales de anión superóxido de las células, pero aumentar la cantidad y la actividad de estas enzimas es difícil y no es la forma más eficiente de mejorar la durabilidad de las plantas. [24]
Al introducir las superóxido reductasas de P. furiosus en las plantas, los niveles de O 2 pueden reducirse rápidamente. [ cita requerida ] Los científicos probaron este método utilizando la planta Arabidopsis thaliana . Como resultado de este procedimiento, la muerte celular en las plantas ocurre con menos frecuencia, lo que resulta en una reducción en la gravedad de las respuestas al estrés ambiental. Esto mejora la supervivencia de las plantas, haciéndolas más resistentes al estrés lumínico, químico y térmico.
Este estudio podría utilizarse como punto de partida para crear plantas que pudieran sobrevivir en climas más extremos en otros planetas como Marte. Si se introducen más enzimas de extremófilos como P. furiosus en otras especies de plantas, se podrían crear especies increíblemente resistentes. [3]
Al comparar P. furiosus con una especie relacionada de arquea, Pyrococcus abyssi , los científicos han intentado determinar la correlación entre ciertos aminoácidos y la afinidad por ciertas presiones en diferentes especies. P. furiosus no es barófilo , mientras que P. abyssi sí lo es, lo que significa que funciona de manera óptima a presiones muy altas. El uso de dos especies hipertermófilas de arquea reduce la posibilidad de desviaciones relacionadas con la temperatura del entorno, lo que reduce esencialmente las variables en el diseño experimental. [25]
Además de proporcionar información sobre la barofilia de ciertos aminoácidos, el experimento también proporcionó información valiosa sobre el origen del código genético y sus influencias organizativas. Se descubrió que la mayoría de los aminoácidos que determinaban la barofilia también eran importantes en la organización del código genético. También se descubrió que los aminoácidos más polares y los aminoácidos más pequeños tenían más probabilidades de ser barófilos. A través de la comparación de estas dos arqueas, se llegó a la conclusión de que el código genético probablemente se estructuraba bajo alta presión hidrostática, y que la presión hidrostática era un factor más influyente en la determinación del código genético que la temperatura. [25]
Pyrococcus furiosus fue aislado originalmente de forma anaeróbica a partir de sedimentos marinos geotermales con temperaturas entre 90 °C (194 °F) y 100 °C (212 °F) recolectados en la playa de Porto Levante, Isla Vulcano , Italia. Fue descrito por primera vez por Karl Stetter de la Universidad de Ratisbona en Alemania y un colega, Gerhard Fiala. Pyrococcus furiosus en realidad originó un nuevo género de arqueas con su descubrimiento relativamente reciente en 1986. [1]
El nombre Pyrococcus significa "bola de fuego" en griego , para referirse a la forma redonda del extremófilo y su capacidad de crecer a temperaturas de alrededor de 100 grados Celsius. El nombre de la especie furiosus significa "apresurado" en latín , y se refiere al tiempo de duplicación y la velocidad de natación del extremófilo. [1]