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 intensos estudios desde su descubrimiento en 1977 en el Rift de las Galápagos . Se creía imposible que existiera vida a temperaturas tan altas como 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 las fumarolas negras a lo largo de la dorsal mesoatlántica . Estos organismos pueden vivir a 106 °C a un pH de 5,5. Para obtener energía de su entorno, estos organismos son quimiolitoautótrofos obligados aeróbicos facultativos , lo que significa que estos organismos construyen biomoléculas recolectando dióxido de carbono (CO 2 ) de su entorno utilizando hidrógeno (H 2 ) como el principal donante de electrones y nitrato (NO 3 − ) como el principal aceptor de electrones . 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 entornos tan cálidos, deben tener modificaciones de ADN , membrana y enzimas que los ayuden a soportar una energía térmica intensa. Dichas modificaciones se están estudiando actualmente para comprender mejor qué permite que un organismo o proteína sobreviva a condiciones tan duras. Al aprender qué permite que estos organismos sobrevivan a condiciones tan duras, los investigadores pueden sintetizar mejor moléculas para la industria que son más difíciles de desnaturalizar.
Dos cadenas de ADN se mantienen unidas por el 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 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 permaneciera 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 la Corporación Diversa y la secuencia fue publicada 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 apoyado 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 un 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 haya una presión selectiva para que haya más enlaces de hidrógeno para aumentar la estabilidad dentro del ADN, pero una menor presión selectiva para los emparejamientos de GC dentro del ADN en su conjunto. Esto apoya lo que se ve en P. fumarii . La mayoría del ADN está compuesto 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 bamboleo, las arqueas termófilas 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 produce una superretorsión del ADN, lo que dificulta su desenrollado espontáneo. La presencia de esta proteína en múltiples organismos evolutivamente distantes respalda la hipótesis de que esta proteína desempeña un papel en la estabilización del ADN.
Las arqueas hipertermófilas tienen estrategias especiales para hacer frente al daño del ADN, incluido un requisito esencial para las proteínas clave que se emplean en el proceso de reparación del ADN por recombinación homóloga . [2] Además, el intercambio de ADN ocurre entre hipertermófilos arqueológicos, y este intercambio probablemente juega un papel en la reparación del ADN genómico a través de la recombinación homóloga, un proceso que podría ser crucial en condiciones que dañan el ADN, como las altas temperaturas. [3]
Todos los microbios, desde las bacterias más pequeñas hasta los eucariotas multicelulares más grandes, 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 sirve como cabeza de la molécula. Las membranas de fosfolípidos pueden variar ampliamente en la estructura de la cola de ácido graso, que está compuesta principalmente de hidrocarburos . Estas moléculas de fosfolípidos forman bicapas con los grupos fosfato polares orientados hacia la solución acuosa dentro o fuera de la célula con los hidrocarburos orientados 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.
Los distintos 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 entornos 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 temperaturas similares a las de 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 utiliza como energía y dejando que todas las proteínas que la célula ha sintetizado se difundan, deteniendo sus procesos metabólicos.
Para hacer frente a este problema, las arqueas han modificado la composición lipídica de sus membranas. Siguen conteniendo grupos fosfato y largas colas 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 que en un éster, lo que hace que ese carbono sea menos electrofílico y, por tanto, menos reactivo químicamente. Esto permite que el fosfolípido unido al éter sea más estable y menos susceptible a la descomposición por grandes cantidades de energía térmica aumentada. Esto contribuye a la capacidad de las arqueas de vivir en entornos tan extremos.
Otra adaptación de la membrana observada 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 hidrocarburo, cada una proveniente de un enlace éster y una molécula de fosfato. Estos fosfolípidos forman monocapas en lugar de las típicas bicapas observadas 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 entonces un empaquetamiento más apretado de moléculas dentro de la membrana porque menos moléculas deben caber 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 fosfolípido, 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 unidos por ésteres. 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 tetraéter o lípidos diéter. 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 abarrotar la estructura interna de la membrana, lo que dificulta que los solutos pasen a través de la membrana al 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 entorno. Si la célula no tuviera estos anillos, es probable que demasiadas moléculas no deseadas pasen a través de la membrana hacia adentro o hacia afuera de la célula. Esto provocaría una ralentización o detención total de los procesos metabólicos, dando lugar a 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 utilizan. Incluso se observan 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 ocurre 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 simplemente frenar la entrada o salida de moléculas de una célula.
Debido a que los organismos como P. fumarii viven en ambientes tan hostiles, estas arqueas han tenido que idear formas inusuales de recolectar energía del medio ambiente y protegerse contra el estrés térmico. P. fumarii , al igual que las plantas, son capaces de 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− u O 2 . Este tipo de proceso metabólico se clasifica como quimiolitoautrofismo, lo que significa que su carbono proviene de una fuente inorgánica, su aceptor final de electrones no es O 2 y producen y consumen su propio alimento.
Otra forma en que los hipertermófilos garantizan el funcionamiento adecuado de sus proteínas es mediante el uso de proteínas de choque térmico (HSP). Si bien estas HSP no son exclusivas de los extremófilos, su estudio es extremadamente importante porque las HSP que se encuentran en los hipertermófilos son las más estables de su tipo. Las HSP también pueden prolongar la vida de un hipertermófilo incluso más allá de su temperatura óptima de crecimiento. Al estudiar estas proteínas, es posible que sea posible aprender los mecanismos que utilizan las proteínas para estabilizar a 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 del que lo harían por sí solas a temperaturas tan altas. Esto es parte de lo que permite que P. fumarii exista a temperaturas que durante mucho tiempo se creyó que eran demasiado altas para la existencia de vida.
Los organismos más comunes que recolectan CO2 para construir biomoléculas son las plantas y las bacterias fotosintéticas . Esos organismos en particular utilizan el ciclo de Calvin para su fijación de carbono . Sin embargo, P. fumarii y otros organismos similares contienen enzimas particulares que les permiten recolectar CO2 a temperaturas muy superiores a 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. Es probable que estas sean algunas de las primeras vías en evolucionar porque las bacterias y arqueas que las utilizan viven en entornos que reflejan los entornos de la Tierra primitiva. Por lo tanto, es probable que estas sean algunas de las primeras vías de fijación de carbono en evolucionar. El ciclo rTCA se observa generalmente 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 los termoacidófilos del orden Sulfolobales .
Los ciclos rTCA, 3-HP y 3-HP/4-HP son muy importantes para determinados extremófilos, pero el ciclo DC/4-HP es el que utiliza P. fumarii . Por este motivo, este artículo analiza el ciclo DC/4-HP con más 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 4-HP del ciclo 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. El acetil-CoA luego se convierte en piruvato , luego en PEP . El ciclo DC/4-HP luego sigue al ciclo rTCA, convirtiendo 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, lo que permite que el proceso comience de nuevo. Las únicas enzimas exclusivas de esta vía son la piruvato sintasa, la piruvato:agua diquinasa y la PEP carboxilasa. Debido a que muchos de los pasos de la vía DC/4-HP se observan en otras vías, solo había unas pocas enzimas exclusivas de la vía DC/4-HP, lo que dificultaba 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 utiliza 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 a menudo se utilizan como mensajeros secundarios en las células eucariotas. Sin embargo, el DIP solo se ha encontrado en células termófilas y su uso dentro de las células es en gran parte desconocido. 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 se han encontrado formas fosforiladas de este azúcar junto con UDP-α-Glc- NAc3NAc, que es un azúcar que se sabe que participa en la formación de la capa S. Estos azúcares UDP solo se encuentran cuando las células están en condiciones de crecimiento supraóptimas. 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, ya que se ha planteado la hipótesis de que la capa S se utiliza para ayudar a proteger la célula del estrés térmico asociado con los entornos hipertermofílicos. También se cree que la capa S ayuda a frenar la salida o la entrada de moléculas en la célula. Si bien estos resultados no son concluyentes, sí ayudan a dilucidar cómo se crea la capa S, que ha sido un misterio durante años.