Thermotoga maritima es un organismo anaeróbico hipertermófilo que pertenece al orden Thermotogales . T. maritima es bien conocida por su capacidad de producir hidrógeno (energía limpia) y es la única bacteria fermentativa que ha demostrado producir 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]
Descubierta por primera vez en el sedimento de un área geotermal marina cerca de Vulcano , Italia, Thermotoga maritima reside en fuentes termales, así como en fuentes hidrotermales . [3] El entorno ideal para el organismo es una temperatura del agua de 80 °C (176 °F), aunque es capaz de crecer en aguas de 55-90 °C (131-194 °F). [4] Thermotoga maritima es la única bacteria conocida que crece a esta alta temperatura; los únicos otros organismos conocidos que viven en entornos tan extremos son miembros del dominio Archaea . Las habilidades hipertermofílicas de T. maritima , junto con su linaje profundo, sugieren que es potencialmente un organismo muy antiguo. [5]
Thermotoga maritima es una bacteria gramnegativa , con forma de bastón y no esporulante . [1] [6] Cuando se observa bajo un microscopio , se puede ver que está envuelta en una envoltura similar a una vaina que se asemeja a una toga , de ahí el "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 ) gaseoso como subproductos de la fermentación . [6] T. maritima también es capaz de metabolizar celulosa así como xilano , produciendo H 2 que podría ser utilizado potencialmente como una fuente de energía alternativa a los combustibles fósiles. [7] Además, esta especie de bacteria es capaz de reducir Fe (III) para producir energía usando respiración anaeróbica. Varias flavoproteínas y proteínas de hierro-azufre han sido identificadas como potenciales portadores de electrones para su uso durante la respiración celular. [7] Sin embargo, cuando crece con azufre como aceptor final de electrones, no se produce ATP . En cambio, este proceso elimina el H 2 inhibidor producido por el crecimiento fermentativo. [7] En conjunto, estos atributos indican que T. maritima se ha vuelto ingeniosa y capaz de metabolizar una gran cantidad de sustancias para llevar a cabo sus procesos vitales.
La energía es una necesidad creciente en el mundo y se espera que aumente en los próximos 20 años. Entre las diversas 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 va más allá de 4 mol H 2 / glucosa (límite de Thaeur) debido a su naturaleza inherente de utilizar más energía para su propia división celular para crecer rápidamente que para producir H 2 . Debido a estas razones, no se ha pensado que las bacterias fermentativas produzcan mayores cantidades de hidrógeno a escala comercial. Superar este límite mejorando la conversión de azúcar a H 2 podría conducir a un sistema biológico superior de producción de H 2 que puede 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 H2 / mol glucosa, que es el rendimiento más alto informado hasta ahora en una bacteria fermentativa. En esta cepa, la redistribución de energía y el redireccionamiento metabólico a través de la vía de las pentosas fosfato (PPP) generaron reductores en exceso al tiempo que desacoplaban el crecimiento de la síntesis de hidrógeno. El desacoplamiento del crecimiento de la formación del producto se ha visto como una estrategia viable para maximizar el rendimiento del producto que se ha logrado en la bacteria con mayor producción de hidrógeno. Se pueden adoptar estrategias similares para otras bacterias productoras de hidrógeno para maximizar los rendimientos 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 actividad de conversión de hidrógeno modesta y una sensibilidad reducida al inhibidor de la enzima, CO, en comparación con las [FeFe]-hidrogenasas prototípicas y bifurcadas del Grupo A. [8] La Tm HydS tiene un dominio de 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 consiste en un único cromosoma circular de 1,8 megabases que codifica para 1877 proteínas. [9] Dentro de su genoma tiene varias proteínas de choque térmico 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 porcentaje de superposición más alto de cualquier bacteria. [10] Esta similitud sugiere una transferencia horizontal de genes entre Archaea y 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 de T. maritima MSB8 genomovar DSM3109 [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 eliminación de genes 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 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 génica heteróloga en E. coli o en modelos de predicción, ya que un mutante knock out genético de T. maritima seguía sin estar disponible. [13] Desarrollar un sistema genético para T. maritima ha sido una tarea desafiante principalmente debido a la falta de un marcador seleccionable estable al calor adecuado. Recientemente, el sistema genético más confiable basado en la biosíntesis de pirimidina se ha establecido en T. maritima . [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 para el uracilo . El pyrE de un género distantemente relacionado de T. maritima rescató la auxotrofia del 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 la pentosa fosfato de T. maritima en la síntesis de hidrógeno. [14] El genoma de T. maritima posee repeticiones directas que se han desarrollado en parálogos . [12] Debido a la falta de un sistema genético, la verdadera función de estos parálogos ha permanecido 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 disrupciones 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 de ATPasa del transportador de maltosa. [15] Es interesante saber que T. maritima tiene varios parálogos de muchos genes y que la verdadera función de estos genes depende ahora del uso del sistema desarrollado recientemente. El sistema genético desarrollado recientemente en T. maritima tiene un gran potencial para convertir a T. maritima en un huésped para estudios de expresión génica bacteriana hipertermófila. La expresión de proteínas en este organismo modelo es prometedora para 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] Con base en el análisis filogenético de la subunidad pequeña de su ARN ribosómico, se ha reconocido que posee uno de los linajes más profundos de Bacteria. Además, sus lípidos tienen una estructura única que difiere de todas las demás bacterias. [4]