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Hidrofobina

Las hidrofobinas son un grupo de proteínas pequeñas (~100 aminoácidos ) ricas en cisteína que se descubrieron en hongos filamentosos que están liquenizados o no. Más tarde, también se encontraron proteínas similares en Bacteria . [1] Las hidrofobinas son conocidas por su capacidad de formar una capa hidrófoba (repelente al agua) en la superficie de un objeto. [2] Se descubrieron y separaron por primera vez en Schizophyllum commune en 1991. [3] Según las diferencias en los patrones de hidropatía y las propiedades biofísicas , se pueden dividir en dos categorías: clase I y clase II. Las hidrofobinas pueden autoensamblarse en una monocapa en interfaces hidrófilas:hidrófobas como una interfaz agua:aire. La monocapa de clase I contiene la misma estructura central que las fibrillas amiloides y es positiva al rojo Congo y la tioflavina T. La monocapa formada por hidrofobinas de clase I tiene una estructura altamente ordenada y solo se puede disociar con trifluoroacetato concentrado o ácido fórmico. El ensamblaje de monocapas implica grandes reordenamientos estructurales con respecto al monómero. [4]

Los hongos producen estructuras aéreas complejas y esporas incluso en ambientes acuosos.

Se han identificado hidrofobinas en líquenes [5] así como en ascomicetos y basidiomicetos no liquenizados ; no se sabe si existen en otros grupos. [6] Las hidrofobinas se encuentran generalmente en la superficie exterior de los conidios y de la pared de las hifas , y pueden estar implicadas en la mediación del contacto y la comunicación entre el hongo y su entorno. [7] Algunos miembros de la familia contienen múltiples copias del dominio.

Se ha descubierto que las hidrofobinas son estructural y funcionalmente similares a las ceratoplataninas , otro grupo de pequeñas proteínas ricas en cisteína, [8] que también contienen un alto porcentaje de aminoácidos hidrófobos, [6] y también están asociadas con el crecimiento de hifas. [9] [10]

Esta familia de proteínas incluye las proteínas rodlet de Neurospora crassa (gen eas) y Emericella nidulans (gen rodA ), estas proteínas son el componente principal de la vaina hidrofóbica que cubre la superficie de muchas esporas de hongos . [11] [12]

La secuenciación genómica de dos hongos de ambientes secos o salados ( Wallemia sebi y W. ichthyophaga ) reveló que estas especies contienen hidrofobinas previstas con una proporción inusualmente alta de aminoácidos ácidos y, por lo tanto, con características potencialmente novedosas. [13] Se cree que la alta proporción de aminoácidos ácidos es una adaptación de las proteínas a altas concentraciones de sal. [14]

Estructura

Las hidrofobinas se caracterizan por la presencia de 8 residuos de cisteína conservados que forman 4 enlaces disulfuro. [15] Son capaces de revertir la humectabilidad de las superficies mediante el autoensamblaje espontáneo de las proteínas monoméricas en monocapas anfipáticas en superficies hidrófobas:hidrófilas. A pesar de esta característica común, las hidrofobinas se subdividen en dos clases según las diferencias en su estructura monomérica, como el espaciamiento entre los residuos de cisteína, y según las diferentes propiedades fisicoquímicas de las monocapas anfipáticas que forman. [15] [16] Los análisis estructurales exhaustivos de hidrofobinas individuales de las dos clases han dilucidado que las diferencias morfológicas y físicas entre las formas poliméricas de clase I y clase II son el resultado de diferencias estructurales significativas a nivel de ensamblaje de monómeros.

Clase I

Las hidrofobinas de clase I se caracterizan por tener una secuencia de aminoácidos bastante diversa entre los diferentes tipos (con excepción de los residuos de cisteína conservados), y en comparación con la clase II, tienen un espaciamiento entre cisteínas largo y variado. [17] Forman rodlets que se han identificado como amiloides funcionales debido a sus características similares a las de los amiloides, como se ve en estudios de difracción de rayos X y se confirma por su capacidad para unirse a colorantes específicos de amiloide, como el rojo Congo y la tioflavina T. [ 18] La formación de rodlets implica cambios conformacionales [19] que conducen a la formación de una estructura de lámina β extremadamente robusta [20] que solo se puede despolimerizar mediante tratamiento con ácidos fuertes. [21] Los rodlets pueden formar espontáneamente monocapas ordenadas por ensamblaje lateral, mostrando una morfología fibrilar regular en interfaces hidrófobas:hidrófilas. [22] La hidrofobina de clase I mejor caracterizada es EAS, que recubre las esporas del hongo Neurospora crassa , seguida de la caracterización de DewA de Aspergillus nidulans . [23]

Clase II

Las hidrofobinas de clase II tienen en general una secuencia de aminoácidos más conservada entre los diferentes tipos y, a diferencia de la clase I, tienen un espaciamiento entre cisteínas corto y regular. [17] A diferencia de la clase I, la monocapa de hidrofobinas de clase II formada en las interfaces hidrofóbicas:hidrofílicas no es fibrilar y no está asociada con la formación de estructuras amiloides ni con grandes cambios conformacionales. [22] No obstante, estudios de microscopía de fuerza atómica de alta resolución revelaron la formación de un notable patrón repetitivo hexagonal sobre superficies recubiertas con la hidrofobina de clase II HBFI, lo que significa que estas proteínas también pueden formar una red ordenada en películas superficiales. [24]

Las estructuras cristalinas o HFBI y HFBII de Trichoderma reesei fueron las primeras hidrofobinas de clase II que se determinaron.

Autoensamblaje de hidrofobinas de clase I mediante rodlets

Existe un interés especial en comprender el mecanismo subyacente al autoensamblaje de monómeros de clase I que conduce a la formación de monocapas de rodlets anfipáticos ordenados y resistentes, debido a sus propiedades intrínsecas y debido a la información sustancial disponible de varios estudios de caracterización de las hidrofobinas de clase I EAS y DewA. Estos mecanismos han sido ampliamente estudiados mediante mutagénesis dirigida en un esfuerzo por identificar las regiones de secuencia de aminoácidos clave que impulsan el autoensamblaje de rodlets. Kwan et al. (2006) propusieron un modelo para la forma monomérica de EAS a partir de datos estructurales obtenidos de experimentos de espectroscopia de RMN y difracción de rayos X que indicaron la presencia de una estructura central de barril β antiparalela de cuatro cadenas en EAS que permite la unión de monómeros a través de enlaces de hidrógeno en la cadena principal . [18] Hay elementos secundarios alrededor de este núcleo de barril β como los bucles Cys3-Cys4 y Cys7-Cys8. Este modelo es consistente con la estructura similar a amiloide que forman los rodlets de clase I, en la que las hebras β están orientadas perpendicularmente al eje del andamiaje transversal β de la fibra. [25]

La mutagénesis dirigida de EAS ha proporcionado información sobre los cambios estructurales específicos responsables del autoensamblaje de monómeros en rodlets y la posterior formación de monocapas anfipáticas en interfaces hidrofóbicas:hidrofílicas. Kwan et al. (2008) informaron que el bucle hidrofóbico largo Cys3-Cys4 no es necesario para el ensamblaje de rodlets porque su eliminación no afecta el plegamiento y las propiedades físicas de la proteína monomérica, ni la morfología de la forma polimérica de rodlet. [26] En cambio, se ha descubierto que una región del bucle corto Cys7-Cys8, que contiene principalmente residuos polares sin carga, es crítica para el ensamblaje de rodlets. [15]

La caracterización de los elementos secundarios de EAS involucrados en el ensamblaje de rodlets ha proporcionado información sobre el mecanismo detrás del autoensamblaje de las hidrofobinas de clase I, pero las diferencias estructurales importantes con DewA, otra hidrofobina de clase I, sugieren que los mecanismos que impulsan el ensamblaje de rodlets varían entre los diferentes tipos de hidrofobinas. Al igual que EAS, DewA también tiene una estructura de núcleo de barril β, pero difiere significativamente de ella debido a su considerable contenido de elementos secundarios helicoidales. [27] Una característica única de DewA es su capacidad de existir como dos tipos de confórmeros en solución, ambos capaces de formar ensamblajes de rodlets pero a diferentes velocidades. [23] A pesar de estas diferencias en los mecanismos estructurales y de autoensamblaje, tanto EAS como DewA forman monocapas fibrilares robustas, lo que significa que deben existir varias vías, secuencias de proteínas y conformaciones terciarias capaces de autoensamblarse en monocapas anfipáticas. Una mayor caracterización de EAS y DewA y sus mecanismos de autoensamblaje de rodlets abrirá oportunidades para el diseño racional de hidrofobinas con nuevas aplicaciones biotecnológicas.

Potencial de uso

Desde los primeros estudios que arrojaron luz sobre las propiedades de las hidrofobinas, estas pequeñas proteínas han sido consideradas como grandes candidatas para su uso tecnológico. [16] La comprensión detallada de los mecanismos moleculares que subyacen al autoensamblaje de las hidrofobinas en monocapas anfipáticas en interfaces hidrofóbicas:hidrofílicas es de gran interés académico, pero principalmente de interés comercial. Esto se debe a que una comprensión profunda de los elementos que impulsan estos mecanismos permitiría la ingeniería de hidrofobinas (u otras biomoléculas) para aplicaciones nano y biotecnológicas. Un ejemplo es que se descubrió que el recubrimiento de hidrofobinas de nanotubos de carbono aumenta su solubilidad y reduce su toxicidad, un hallazgo que aumenta las perspectivas de que los nanotubos de carbono se utilicen como vehículos para la administración de fármacos . [28] Otras áreas de uso potencial de las hidrofobinas incluyen:

Para obtener más información sobre las posibles aplicaciones biotecnológicas de las hidrofobinas, consulte Hektor y Scholtmeijer (2005) [38] y Cox y Hooley (2009). [39]

Referencias

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Lectura adicional


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