Thermotoga maritima es un organismo anaeróbico hipertermofílico que es miembro del orden Thermotogales . T. maritima es bien conocida por su capacidad para producir hidrógeno (energía limpia) y es la única bacteria fermentativa que se ha demostrado que produce hidrógeno por encima del límite de Thauer (>4 mol H2 /mol glucosa). [1] Emplea [FeFe]-hidrogenasas para producir gas hidrógeno (H 2 ) mediante la fermentación de muchos tipos diferentes de carbohidratos. [2]
Descubierto por primera vez en el sedimento de un área geotérmica marina cerca de Vulcano , Italia, Thermotoga maritima reside en aguas termales y en respiraderos hidrotermales . [3] El ambiente ideal para el organismo es una temperatura del agua de 80 °C (176 °F), aunque es capaz de crecer en aguas de 55 a 90 °C (131 a 194 °F). [4] Thermotoga maritima es la única bacteria que se sabe que crece a esta temperatura alta; Los únicos otros organismos que se sabe que viven en ambientes tan extremos son miembros del dominio Archaea . Las capacidades hipertermófilas de T. maritima , junto con su profundo linaje, sugieren que es potencialmente un organismo muy antiguo. [5]
Thermotoga maritima es una bacteria gramnegativa , con forma de bastoncillo y no esporulante . [1] [6] Cuando se ve bajo un microscopio , se puede ver que está encerrado en una envoltura similar a una funda que se asemeja a una toga , de ahí la "toga" en su nombre. [6]
Como organismo quimioorganotrófico fermentativo anaeróbico , T. maritima cataboliza azúcares y polímeros y produce dióxido de carbono (CO 2 ) e hidrógeno (H 2 ) como subproductos de la fermentación . [6] T. maritima también es capaz de metabolizar la celulosa y el xilano , produciendo H 2 que podría utilizarse como fuente de energía alternativa a los combustibles fósiles. [7] Además, esta especie de bacteria es capaz de reducir el Fe (III) para producir energía mediante la respiración anaeróbica. Se han identificado varias flavoproteínas y proteínas de hierro y azufre como posibles portadores de electrones para su uso durante la respiración celular. [7] Sin embargo, cuando se cultiva con azufre como aceptor final de electrones, no se produce ATP . En cambio, este proceso elimina el H2 inhibidor producido por el crecimiento fermentativo. [7] En conjunto, estos atributos indican que T. maritima se ha vuelto ingenioso y capaz de metabolizar una gran cantidad de sustancias para llevar a cabo sus procesos vitales.
La energía es una necesidad creciente del mundo y se espera que crezca en los próximos 20 años. Entre varias fuentes de energía, el hidrógeno es el mejor portador de energía debido a su mayor contenido de energía por unidad de peso. T. maritima es una de las bacterias fermentativas que produce hidrógeno a niveles que se acercan al límite termodinámico (4 mol H 2 / mol glucosa). Sin embargo, al igual que otras bacterias fermentativas, el rendimiento de hidrógeno en esta bacteria no supera los 4 moles de H2 / glucosa (límite de Thaeur) debido a su naturaleza inherente de utilizar más energía para su propia división celular y crecer rápidamente que para producir H2 . Por estas razones, no se cree que las bacterias fermentadoras produzcan mayores cantidades de hidrógeno a escala comercial. Superar este límite mejorando la conversión de azúcar en H 2 podría conducir a un sistema biológico superior de producción de H 2 que podría reemplazar la producción de H 2 basada en combustibles fósiles .
La ingeniería metabólica en esta bacteria condujo al desarrollo de cepas de T. maritima que superaron el límite de Thauer de producción de hidrógeno. [1] Una de las cepas, también conocida como Tma200, produjo 5,77 mol H 2 / mol de glucosa, que es el rendimiento más alto registrado hasta ahora en una bacteria fermentativa. En esta cepa, la redistribución de energía y el desvío metabólico a través de la vía de las pentosas fosfato (PPP) generaron un exceso de reductores al tiempo que desacoplaban el crecimiento de la síntesis de hidrógeno. La desvinculación del crecimiento de la formación de productos se ha considerado una estrategia viable para maximizar el rendimiento del producto que se ha logrado en la bacteria productora de mayor hidrógeno. Se pueden adoptar estrategias similares para otras bacterias productoras de hidrógeno para maximizar el rendimiento del producto.
Las hidrogenasas son metaloenzimas que catalizan la reacción de conversión reversible de hidrógeno: H 2 ⇄ 2 H + + 2 e − . Una [FeFe]-hidrogenasa del grupo C de Thermotoga maritima ( Tm HydS) ha mostrado una modesta actividad de conversión de hidrógeno y una sensibilidad reducida al inhibidor de la enzima, CO, en comparación con las hidrogenasas [FeFe] prototípicas y bifurcadas del grupo A. [8] El Tm HydS tiene un dominio hidrogenasa con distintas modificaciones de aminoácidos en el bolsillo del sitio activo, incluida la presencia de un dominio Per-Arnt-Sim (PAS) .
El genoma de T. maritima consta de un único cromosoma circular de 1,8 megabases que codifica 1877 proteínas. [9] Dentro de su genoma tiene varias proteínas de choque de calor y frío que probablemente estén involucradas en la regulación metabólica y la respuesta a los cambios de temperatura ambiental. [7] Comparte el 24% de su genoma con miembros de Archaea; el mayor porcentaje de superposición de cualquier bacteria. [10] Esta similitud sugiere una transferencia horizontal de genes entre Archaea y los ancestros de T. maritima y podría ayudar a explicar por qué T. maritima es capaz de sobrevivir en temperaturas y condiciones tan extremas. El genoma de T. maritima ha sido secuenciado varias veces. La resecuenciación del genoma del genomovar DSM3109 de T. maritima MSB8 [11] [9] determinó que el genoma secuenciado anteriormente era una variante de laboratorio evolucionada de T. maritima con una deleción de aproximadamente 8 kb. Además, una variedad de genes duplicados y repeticiones directas en su genoma sugieren su papel en la recombinación homóloga intramolecular que conduce a la eliminación de genes. Se ha desarrollado una cepa con una deleción genética de 10 kb utilizando la evolución microbiana experimental en T. maritima . [12]
Thermotoga maritima tiene un gran potencial en la síntesis de hidrógeno porque puede fermentar una amplia variedad de azúcares y se ha informado que produce la mayor cantidad de H 2 (4 mol H 2 / mol de glucosa ). [4] Debido a la falta de un sistema genético durante los últimos 30 años, la mayoría de los estudios se han centrado en la expresión de genes heterólogos en E. coli o en modelos de predicción, ya que un gen mutante knockout de T. maritima no estaba disponible. [13] Desarrollar un sistema genético para T. maritima ha sido una tarea desafiante principalmente debido a la falta de un marcador seleccionable termoestable adecuado. Recientemente, se ha establecido en T. maritima el sistema genético más fiable basado en la biosíntesis de pirimidina . [14] Este sistema genético recientemente desarrollado se basa en un mutante pyrE − que se aisló después de cultivar T. maritima en un fármaco inhibidor de la biosíntesis de pirimidina llamado ácido 5-fluoroorótico (5-FOA). El mutante pyrE- es un mutante auxotrófico del uracilo . El pyrE de un género lejanamente relacionado de T. maritima rescató la auxotrofia de uracilo del mutante pyrE - de T. maritima y ha demostrado ser un marcador adecuado.
Por primera vez, el uso de este marcador permitió el desarrollo de un mutante de arabinosa ( araA ) de T. maritima . Este mutante exploró el papel de la vía de las pentosas fosfato de T. maritima en la síntesis de hidrógeno. [14] El genoma de T. maritima posee repeticiones directas que se han convertido en parálogos . [12] Debido a la falta de un sistema genético, la verdadera función de estos parálogos sigue siendo desconocida. El sistema genético desarrollado recientemente en T. maritima ha sido muy útil para determinar la función de la proteína ATPasa (MalK) del transportador de maltosa que está presente en forma de múltiples copias (tres copias). Las alteraciones genéticas de las tres supuestas subunidades codificantes de ATPasa ( malK ) y el fenotipo han concluido que solo una de las tres copias sirve como función ATPasa del transportador de maltosa. [15] Es interesante saber que T. maritima tiene varios parálogos de muchos genes y la verdadera función de estos genes ahora depende del uso del sistema desarrollado recientemente. El sistema genético recientemente desarrollado en T. maritima tiene un gran potencial para convertir a T. maritima en un huésped para estudios de expresión de genes bacterianos hipertermofílicos. La expresión de proteínas en este organismo modelo promete sintetizar proteínas completamente funcionales sin ningún tratamiento.
Thermotoga maritima contiene homólogos de varios genes de competencia , lo que sugiere que tiene un sistema inherente de internalización de material genético exógeno, posiblemente facilitando el intercambio genético entre esta bacteria y el ADN libre. [7] Basado en el análisis filogenético de la pequeña subunidad de su ARN ribosómico, se ha reconocido que tiene uno de los linajes más profundos de bacterias. Además, sus lípidos tienen una estructura única que se diferencia de todas las demás bacterias. [4]