Thermus Aquaticus es una especie de bacteria que puede tolerar altas temperaturas, una de varias bacterias termófilas que pertenecen al filo Deinococcota . Es la fuente de la enzima resistente al calor Taq ADN polimerasa , una de las enzimas más importantes en biología molecular debido a su uso en la técnica de amplificación de ADN por reacción en cadena de la polimerasa (PCR).
Cuando comenzaron los estudios de organismos biológicos en aguas termales en la década de 1960, los científicos pensaron que la vida de las bacterias termófilas no podía mantenerse en temperaturas superiores a 55 °C (131 °F). [1] Sin embargo, pronto se descubrió que muchas bacterias en diferentes manantiales no solo sobrevivían, sino que también prosperaban en temperaturas más altas. En 1969, Thomas D. Brock y Hudson Freeze de la Universidad de Indiana informaron sobre una nueva especie de bacteria termófila a la que denominaron Thermus Aquaticus . [2] La bacteria se aisló por primera vez en Mushroom Spring en la cuenca inferior del géiser del Parque Nacional Yellowstone , que está cerca de los principales Great Fountain Geyser y White Dome Geyser , [3] y desde entonces se ha encontrado en hábitats termales similares en todo el mundo. Décadas más tarde, este descubrimiento tuvo profundas implicaciones, incluida la invención de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) por el bioquímico Kary Mullis, que revolucionó la investigación del ADN y le valió a Mullis el Premio Nobel de Química en 1993. La PCR facilitó avances en el diagnóstico médico, la genética y otros campos. Después del descubrimiento de la PCR por parte de Kary Mullis, Cetus le otorgó 10.000 dólares. Sin embargo, Cetus vendió más tarde la patente de PCR a F. Hoffmann-La Roche (Roche) por 300 millones de dólares. Esta transacción hizo que Mullis se sintiera engañado durante toda su vida. Desde entonces, Roche se ha beneficiado enormemente de la patente de PCR, con ventas anuales relacionadas con PCR que alcanzarán los 5.400 millones de dólares en 2022. A pesar de estas ganancias, ni el Servicio de Parques Nacionales, el Parque Nacional de Yellowstone ni el estado de Wyoming han recibido ninguna parte de estos ingresos. Al reconocer el potencial científico y financiero de los extremófilos de Yellowstone, empresas de biotecnología como Diversa firmaron acuerdos con el Servicio de Parques Nacionales para la bioprospección. Esto condujo a una mayor exploración científica y posibles aplicaciones comerciales, a pesar de algunas preocupaciones ambientales. En general, el descubrimiento inicial de Brock en las aguas termales de Yellowstone allanó el camino para importantes avances científicos, demostrando la importancia de la investigación básica para impulsar la innovación y los avances tecnológicos. [4]
T. acuático muestra un mejor crecimiento a una temperatura de 65 a 70 °C (149 a 158 °F), pero puede sobrevivir a temperaturas de 50 a 80 °C (122 a 176 °F). Principalmente busca proteínas de su entorno, como lo demuestra la gran cantidad de proteasas y peptidasas extracelulares e intracelulares, así como proteínas de transporte de aminoácidos y oligopéptidos a través de su membrana celular. Esta bacteria es quimiotrofa : realiza quimiosíntesis para obtener alimento. Sin embargo, dado que su rango de temperatura se superpone en cierta medida con el de las cianobacterias fotosintéticas que comparten su entorno ideal, a veces se la encuentra viviendo junto con sus vecinas, obteniendo energía para crecer a partir de su fotosíntesis . T. Aquaticus normalmente respira aeróbicamente, pero una de sus cepas, Thermus Aquaticus Y51MC23, puede cultivarse anaeróbicamente. [5]
El material genético de T. acuático consta de un cromosoma y cuatro plásmidos , y la secuenciación completa de su genoma reveló genes CRISPR en numerosos loci. [6]
El Thermus acuático tiene generalmente forma cilíndrica con un diámetro de 0,5 µm a 0,8 µm. La forma de varilla más corta tiene una longitud de 5 µm a 10 µm. La forma del filamento más largo tiene una longitud que varía mucho y en algunos casos supera los 200 µm. T. acuático ha mostrado múltiples morfologías posibles en diferentes cultivos, en forma de bastón o de filamentos cortos. Las bacterias en forma de bastón tienen tendencia a agregarse. Las asociaciones de varios individuos pueden dar lugar a la formación de cuerpos esféricos de 10 μm a 20 μm de diámetro, también llamados cuerpos rotundos. [2] [7] Estos cuerpos no están compuestos de envoltura celular o componentes de membrana externa como se pensaba anteriormente, sino que están hechos de pared celular de peptidoglicano remodelada. Su función exacta en la supervivencia de T. acuático sigue siendo desconocida, pero se ha teorizado que incluye alimento temporal y almacenamiento de nucleótidos, o que pueden desempeñar un papel en la unión y organización de las colonias. [6] Thermus Aquaticus es una bacteria gramnegativa típica, lo que indica que sus paredes celulares tienen considerablemente menos peptidoglicano en comparación con sus contrapartes grampositivas. En presencia de luz solar, Thermus puede mostrar tonalidades que van del amarillo al rosa o al rojo, que son visibles en las aguas termales. Además, Thermus acuático puede poseer flagelos para la motilidad o permanecer inmóvil.
T. acuático se ha hecho famoso como fuente de enzimas termoestables, en particular la ADN polimerasa Taq , como se describe a continuación.
Los estudios de esta bacteria termófila extrema que podría cultivarse en cultivos celulares se centraron inicialmente en intentos de comprender cómo las enzimas , que normalmente son inactivas a altas temperaturas, pueden funcionar a altas temperaturas en los termófilos . En 1970, Freeze y Brock publicaron un artículo que describía una enzima aldolasa termoestable de T. acuático . [8]
La primera enzima polimerasa aislada de T. Aquaticus en 1974 fue una ARN polimerasa dependiente de ADN , [9] utilizada en el proceso de transcripción .
La mayoría de los biólogos moleculares probablemente se dieron cuenta de la existencia de T. acuático a finales de los años 1970 o principios de los años 1980 debido al aislamiento de endonucleasas de restricción útiles de este organismo. [10] El uso del término Taq para referirse a T hermus aquaticus surgió en este momento de la convención de dar a las enzimas de restricción nombres cortos, como Sal y Hin, derivados del género y especie de los organismos fuente.
La ADN polimerasa se aisló por primera vez de T. acuático en 1976. [11] La primera ventaja encontrada para esta ADN polimerasa termoestable (temperatura óptima 72 °C, no se desnaturaliza ni siquiera a 95 °C) fue que podía aislarse en una forma más pura. (libre de otros contaminantes enzimáticos) que la ADN polimerasa de otras fuentes. Más tarde, Kary Mullis y otros investigadores de Cetus Corporation descubrieron que esta enzima podría usarse en el proceso de reacción en cadena de la polimerasa (PCR) para amplificar segmentos cortos de ADN , [12] eliminando la necesidad de agregar enzimas polimerasas de E. coli después de cada ciclo de tratamiento térmico. desnaturalización del ADN. La enzima también fue clonada , secuenciada , modificada (para producir el 'fragmento Stoffel' más corto) y producida en grandes cantidades para la venta comercial. [13] En 1989, la revista Science nombró a la Taq polimerasa como su primera "Molécula del año". [14] En 1993, Mullis recibió el Premio Nobel de Química por su trabajo con la PCR. [15]
La alta temperatura óptima para T. Aquaticus permite a los investigadores estudiar reacciones en condiciones en las que otras enzimas pierden actividad. Otras enzimas aisladas de este organismo incluyen ADN ligasa , fosfatasa alcalina , NADH oxidasa , isocitrato deshidrogenasa , amilomaltasa y L-lactato deshidrogenasa dependiente de fructosa 1,6-disfosfato .
El uso comercial de enzimas de T. acuático no ha estado exento de controversia. Después de los estudios de Brock, las muestras del organismo fueron depositadas en la American Type Culture Collection , un depósito público. Otros científicos, incluidos los de Cetus, lo obtuvieron de allí. Cuando el potencial comercial de la polimerasa Taq se hizo evidente en la década de 1990, [16] el Servicio de Parques Nacionales calificó su uso como la "Gran Estafa de Taq ". [17] Los investigadores que trabajan en parques nacionales ahora deben firmar acuerdos de "participación de beneficios" que enviarían una parte de las ganancias posteriores al Servicio de Parques.