Los hopanoides son una subclase diversa de triterpenoides con el mismo esqueleto de hidrocarburo que el compuesto hopano . Por lo tanto , este grupo de moléculas pentacíclicas se refiere a esperanzanos, hopanoles y hopanos simples, pero también a derivados ampliamente funcionalizados como los bacteriohopanopolioles (BHP) y los hopanoides unidos covalentemente al lípido A. [1] [2]
El primer hopanoide conocido, la hidroxihopanona, fue aislado por dos químicos de la National Gallery de Londres que trabajaban en la química de la goma damamar , una resina natural utilizada como barniz para pinturas. [3] Si bien a menudo se supone que los hopanoides se producen únicamente en bacterias, su nombre en realidad proviene de la abundancia de compuestos hopanoides en la resina de las plantas del género Hopea . A su vez, este género lleva el nombre de John Hope , el primer Regius Keeper del Real Jardín Botánico de Edimburgo .
Desde su descubrimiento inicial en una angiosperma , los hopanoides se han encontrado en las membranas plasmáticas de bacterias , líquenes , briofitas , helechos , árboles tropicales y hongos . [4] Los hopanoides tienen estructuras policíclicas estables que están bien conservadas en depósitos de petróleo , rocas y sedimentos, lo que permite que los productos diagenéticos de estas moléculas se interpreten como biomarcadores de la presencia de microbios específicos y potencialmente de las condiciones químicas o físicas en el momento de la deposición . [5] No se han detectado hopanoides en arqueas . [6] [7]
Alrededor del 10% de los genomas bacterianos secuenciados tienen un supuesto gen shc que codifica una escualeno-hopeno ciclasa y presumiblemente puede producir hopanoides, que se ha demostrado que desempeñan diversas funciones en la membrana plasmática y pueden permitir que algunos organismos se adapten en ambientes extremos. [8] [9]
Dado que los hopanoides modifican las propiedades de la membrana plasmática en las bacterias, con frecuencia se los compara con los esteroles (p. ej., colesterol ), que modulan la fluidez de la membrana y cumplen otras funciones en los eucariotas . [10] Aunque los hopanoides no solucionan la deficiencia de esteroles, se cree que aumentan la rigidez de la membrana y disminuyen la permeabilidad. [9] [11] [12] Además, se ha demostrado que las gammaproteobacterias y los organismos eucariotas como los líquenes y las briofitas producen esteroles y hopanoides, lo que sugiere que estos lípidos pueden tener otras funciones distintas. [4] [13] En particular, la forma en que los hopanoides se empaquetan en la membrana plasmática puede cambiar dependiendo de los grupos funcionales que estén unidos. El bacteriohopanetetrol hopanoide asume una orientación transversal en las bicapas lipídicas , pero el diplopteno se localiza entre las valvas interna y externa, presumiblemente engrosando la membrana para disminuir la permeabilidad. [14]
El diplopterol hopanoide ordena las membranas interactuando con el lípido A , un lípido de membrana común en las bacterias, de manera similar a cómo interactúan el colesterol y los esfingolípidos en las membranas plasmáticas de eucariotas. [10] Se demostró que el diplopterol y el colesterol promueven la condensación e inhiben la formación de la fase de gel tanto en monocapas de esfingomielina como en monocapas de lípido A modificado con glicano. Además, tanto el diplopterol como el colesterol podrían rescatar las transiciones de fase dependientes del pH en monocapas de lípido A modificado con glicano . [10] El papel de los hopanoides en la tolerancia ácida mediada por membrana se ve respaldado por observaciones de crecimiento inhibido por ácido y anomalías morfológicas de la membrana plasmática en bacterias deficientes en hopanoides con escualeno-hopeno ciclasas mutantes. [15] [16]
Los hopanoides se producen en varias bacterias fijadoras de nitrógeno . [9] En el actinomiceto Frankia , los hopanoides en las membranas de las vesículas especializadas en la fijación de nitrógeno probablemente restringen la entrada de oxígeno al hacer que la bicapa lipídica sea más apretada y compacta. [17] En Bradyrhizobium , los hopanoides unidos químicamente al lípido A aumentan la estabilidad y rigidez de la membrana, mejorando la tolerancia al estrés y la supervivencia intracelular en las leguminosas Aeschynomene . [18] En la cianobacteria Nostoc punctiforme , grandes cantidades de 2-metilhopanoides se localizan en las membranas externas de las estructuras de supervivencia llamadas acinetos . [19] En otro ejemplo de tolerancia al estrés, se cree que los hopanoides en las hifas aéreas (estructuras portadoras de esporas) de las bacterias procarióticas del suelo Streptomyces minimizan la pérdida de agua a través de la membrana hacia el aire. [20]
Dado que los hopanoides son un terpenoide C 30 , la biosíntesis comienza con pirofosfato de isopentenilo (IPP) y pirofosfato de dimetilalilo (DMAP), que se combinan para formar isoprenoides de cadena más larga . [2] La síntesis de estos precursores más pequeños se produce a través de la vía del mevalonato o de la vía del metileritritol-4-fosfato, dependiendo de la especie bacteriana, aunque esta última tiende a ser más común. [21] DMAP se condensa con una molécula de IPP para formar pirofosfato de geranilo , que a su vez se condensa con otro IPP para generar pirofosfato de farnesilo (FPP) . [2] La escualeno sintasa , codificada por el gen sqs , luego cataliza la condensación de dos moléculas de FPP para formar pirofosfato de preescualeno (PSPP) antes de oxidar el NADPH para liberar escualeno . [22] Sin embargo, algunas bacterias productoras de hopanoides carecen de escualeno sintasa y en su lugar utilizan las tres enzimas HpnC, HpnD y HpnE, que están codificadas en el operón hpn con muchos otros genes de biosíntesis de hopanoides. [23] En esta vía de síntesis de escualeno alternativa pero aparentemente más extendida, HpnD libera pirofosfato mientras condensa dos moléculas de FPP en PSPP, que HpnC convierte en hidroxiescualeno, consumiendo una molécula de agua y liberando otro pirofosfato. Luego, el hidroxiescualeno se reduce a escualeno en una reacción de deshidratación mediada por la enzima HpnE dependiente de FAD . [22]
A continuación, una escualeno-hopeno ciclasa cataliza una elaborada reacción de ciclación, involucrando al escualeno en una conformación de silla energéticamente favorable antes de crear 5 ciclos, 6 enlaces covalentes y 9 centros quirales en la molécula en un solo paso. [24] [25] Esta enzima, codificada por el gen shc ( también llamado hpnF en algunas bacterias), tiene un doble pliegue en forma de barril característico de la biosíntesis de terpenoides [26] y está presente en la célula como un homodímero monotópico , lo que significa Los pares de ciclasa están incrustados en la membrana plasmática, pero no la atraviesan. [24] [27] In vitro , esta enzima exhibe una especificidad de sustrato promiscua, y también cicla el 2,3-oxidoscualeno . [28]
Los residuos aromáticos en el sitio activo forman varios carbocationes desfavorables en el sustrato que se apagan mediante una rápida policiclación. [25] En el último subpaso de la reacción de ciclación, después de que los electrones que comprenden el enlace alqueno terminal en el escualeno han atacado el carbocatión de esperanza para cerrar el anillo E, el carbocatión C 22 puede apagarse mediante mecanismos que conducen a diferentes productos hopanoides. El ataque nucleofílico del agua producirá diplopterol, mientras que la desprotonación en un carbono adyacente formará uno de varios isómeros de esperanza, a menudo diplopteno. [4]
Después de la ciclación, los hopanoides son frecuentemente modificados por enzimas de biosíntesis de hopanoides codificadas por genes en el mismo operón que shc , hpn . [29] Por ejemplo, la proteína radical SAM HpnH agrega un grupo adenosina al diplopteno, formando el adenosilhopano hopanoide C 35 extendido , que luego puede funcionalizarse aún más mediante otros productos del gen hpn . [30] HpnG cataliza la eliminación de adenina del adenosilhopano para producir ribosilhopano, que reacciona para formar bacteriohopanetetrol (BHT) en una reacción mediada por una enzima desconocida. [31] Pueden ocurrir modificaciones adicionales cuando HpnO amina el hidroxilo terminal en BHT, produciendo amino bacteriohopanetriol, o cuando la glicosiltransferasa HpnI convierte BHT en N-acetilglucosaminil-BHT. [32] En secuencia, la proteína HpnK asociada a la biosíntesis de hopanoide media la desacetilación a glucosaminil-BHT, a partir de la cual la proteína radical SAM HpnJ genera un éter de cilitol . [32]
Es importante destacar que los hopanoides C 30 y C 35 por igual pueden ser metilados en las posiciones C 2 y C 3 mediante las metiltransferasas radicales SAM HpnP y HpnR, respectivamente. [33] [34] Estas dos metilaciones son particularmente geoestables en comparación con las modificaciones de la cadena lateral y han entretenido a los geobiólogos durante décadas. [9]
En una vía biosintética exclusiva de algunas bacterias, la enzima tetrahimanol sintasa cataliza la conversión del hopanoide diplopteno al triterpenoide pentacíclico tetrahimanol . En eucariotas como Tetrahymena , el tetrahimanol se sintetiza directamente a partir del escualeno mediante una ciclasa sin homología con la tetrahimanol sintasa bacteriana. [35]
Se ha estimado que los hopanoides son los productos naturales más abundantes en la Tierra y permanecen en la fracción orgánica de todos los sedimentos, independientemente de su edad, origen o naturaleza. La cantidad total en la Tierra se estimó en 1992 en 10 x 10 18 gramos (10 12 toneladas). [36] Las biomoléculas como el ADN y las proteínas se degradan durante la diagénesis , pero los lípidos policíclicos persisten en el medio ambiente a lo largo de escalas de tiempo geológicas debido a su fusión, estructuras estables. [37] Aunque los hopanoides y los esteroles se reducen a hopanos y esteranos durante la deposición, estos productos diagenéticos aún pueden ser biomarcadores útiles, o fósiles moleculares , para estudiar la coevolución de la vida temprana y la Tierra. [37] [38]
Actualmente, los fósiles de triterpenoides indiscutibles más antiguos detectados son okenanos , esteranos y metilhopanos mesoproterozoicos de una cuenca de 1,64 Ga (millones de años) de antigüedad en Australia. [39] Sin embargo, los análisis del reloj molecular estiman que los primeros esteroles probablemente se produjeron hace alrededor de 2,3 Ga, aproximadamente al mismo tiempo que el Gran Evento de Oxidación , y la síntesis de hopanoide surgió incluso antes. [40]
Por varias razones, se ha planteado la hipótesis de que los hopanoides y las escualeno-hopenociclasas son más antiguos que los esteroles y las oxidoescualenociclasas. Primero, el diplopterol se sintetiza cuando el agua apaga el carbocatión C 22 formado durante la policiclación. Esto indica que los hopanoides se pueden producir sin oxígeno molecular y podrían haber servido como sustituto de esteroles antes de que la atmósfera acumulara oxígeno, que reacciona con el escualeno en una reacción catalizada por la escualeno monooxigenasa durante la biosíntesis de esteroles. [1] Además, el escualeno se une a las escualeno-hopeno ciclasas en una conformación de silla-bote-silla-bote más tensa, mientras que el oxidoscualeno se cicla en una conformación más tensa, silla-bote-silla-bote. [4] [41] Las escualeno-hopeno ciclasas también muestran más promiscuidad de sustrato, ya que ciclan el oxidoescualeno in vitro , lo que hace que algunos científicos planteen la hipótesis de que son predecesores evolutivos de las oxidoescualeno ciclasas. [41] Otros científicos han propuesto que las ciclasas de escualeno-esperano y oxidoescualeno divergieron de un ancestro común, una supuesta ciclasa bacteriana que habría producido un producto malabaricanoide tricíclico o dammaranoide tetracíclico . [1] [42]
Los 2-metilhopanos, a menudo cuantificados como el índice de 2-α-metilhopano, fueron propuestos por primera vez como biomarcador de la fotosíntesis oxigenada por Roger Summons y sus colegas tras el descubrimiento de los lípidos precursores, los 2-metilhopanoles, en cultivos y esteras de cianobacterias . [43] El posterior descubrimiento de 2-α-metilhopanos supuestamente a partir de cianobacterias fotosintéticas en lutitas de 2,7 Ga de antigüedad del Cratón de Pilbara en Australia Occidental sugirió una brecha de 400 Ma (millones de años) entre la evolución del metabolismo oxigenado y el Gran Evento de Oxidación. [44] Sin embargo, estos hallazgos fueron posteriormente rechazados debido a la posible contaminación por hidrocarburos modernos. [45]
La supuesta presencia de cianobacterias sobre la base de abundantes 2-metilhopanos se ha utilizado para explicar la deposición de esquisto negro durante los eventos anóxicos oceánicos (OAE) del Aptiano y Cenomaniano-Turoniano y las firmas isotópicas de 15 N asociadas indicativas de fijación de N 2 . [46] Por el contrario, los valores del índice de 2-α-metilhopano son relativamente bajos en sedimentos similares de Frasnian y Famennian correspondientes a los eventos de Kellwasser , [47] aunque se han informado niveles más altos en secciones posteriores del Inferior Famennian. [48]
El estatus de los 2-metilhopanoides como biomarcador de cianobacterias fue cuestionado por una serie de descubrimientos microbiológicos. Se demostró que Geobacter sulfurreducens sintetiza diversos hopanoles, aunque no 2-metil-hopanoles, cuando se cultiva en condiciones estrictamente anaeróbicas. [8] Además, se descubrió que el fotótrofo anoxigénico Rhodopseudomonas palustris produce 2-metil-BHP solo en condiciones anóxicas. [49] Este último descubrimiento también condujo a la identificación del gen que codifica la metiltransferasa clave HpnP. [33] hpnP se identificó posteriormente en una acidobacteria y numerosas alfaproteobacterias , y el análisis filogenético del gen concluyó que se originó en las alfaproteobacterias y fue adquirido por las cianobacterias y acidobacteriotas mediante transferencia genética horizontal . [50]
Entre las cianobacterias, la producción de hopanoides generalmente se limita a las cianobacterias terrestres. Entre las cianobacterias marinas, los experimentos de cultivo realizados por Helen Talbot y sus colegas concluyeron que sólo dos especies marinas, Trichodesmium y Crocosphaera , producían bacteriohopanopolioles. [51] Una búsqueda posterior basada en genes de hpnP en genomas de cianobacterias disponibles y genomas ensamblados en metagenomas (MAG) llegó a conclusiones similares, identificando el gen en ~30% de las especies terrestres y de agua dulce, y solo en uno de los 739 genomas de cianobacterias marinas y MAG. . [52] Además, Nostoc punctiforme produce la mayor cantidad de 2-metilhopanoides cuando se diferencia en acinetos . Estas estructuras celulares resistentes al frío y a la desecación están inactivas y, por lo tanto, no son fotosintéticamente activas, lo que desafía aún más la asociación entre los 2-metilhopanos y la fotosíntesis oxigénica. [19]
La investigación que demuestra que la bacteria oxidante de nitritos (NOB) Nitrobacter vulgaris aumenta su producción de 2-metilhopanoides 33 veces cuando se suplementa con cobalamina ha impulsado una explicación no cianobacteriana para la abundancia observada de 2-metilhopanos asociados con las OAE del Cretácico. Felix Elling y sus colegas proponen que la inversión de la circulación trajo a la superficie aguas profundas ricas en amoníaco y cobalto, promoviendo la oxidación aeróbica de nitritos y la síntesis de cobalamina, respectivamente. Este modelo también aborda la notoria falta de 2-metilhopanos asociados con los eventos de sapropel en el Mediterráneo y en los sedimentos modernos del Mar Negro . Debido a que ambos ambientes presentan mucha menos surgencia, los NOB productores de 2-metilhopanoides, como N. vulgaris, son superados por los NOB con mayor afinidad por los nitritos y las bacterias anammox . [52]
Un estudio ambiental realizado por Jessica Ricci y sus coautores utilizando metagenomas y bibliotecas de clones encontró una correlación significativa entre las comunidades microbianas asociadas a plantas y la presencia de hpnP , con base en la cual proponen que los 2-metilhopanoides son un biomarcador para comunidades microbianas sésiles con alta osmolaridad y bajo contenido de oxígeno y nitrógeno fijo. [53]
Históricamente, los 3-metilhopanoides se han asociado con la metanotrofia aeróbica según experimentos de cultivo [54] y la coexistencia con metanótrofos aeróbicos en el medio ambiente. [55] Como tal, la presencia de 3-metilhopanos, junto con el agotamiento de 13 C, se consideran marcadores de metanotrofia aeróbica antigua. [34] Sin embargo, se sabe desde hace décadas que las bacterias del ácido acético también producen 2-metilhopanoides. [54] Además, tras la identificación de hpnR , el gen responsable de metilar los hopanoides en la posición C 3 , Paula Welander y Roger Summons identificaron supuestos homólogos de hpnR en miembros de alfa , beta y gammaproteobacterias , actinomycetota , nitrospirota , filo candidato. NC10 y una acidobacteria , así como en tres metagenomas. Como tal, Welander y Summons concluyen que los 3-metilhopanoides por sí solos no pueden constituir evidencia de metanotrofia aeróbica. [34]
El elegante mecanismo detrás de la actividad protonasa de la escualeno-esperano ciclasa fue apreciado y adaptado por ingenieros químicos de la Universidad de Stuttgart, Alemania. La ingeniería de sitios activos resultó en la pérdida de la capacidad de la enzima para formar hopanoides, pero permitió la catálisis ácida de Brønsted para la ciclación estereoselectiva de los monoterpenoides geraniol , epoxigeraniol y citronelal . [56]
La aplicación de hopanoides y fijadores de nitrógeno productores de hopanoides al suelo ha sido propuesta y patentada como una técnica de biofertilización que aumenta la resistencia ambiental de los simbiontes microbianos asociados a las plantas, incluidas las bacterias fijadoras de nitrógeno que son esenciales para transformar el nitrógeno atmosférico en formas solubles disponibles para los cultivos. . [57]
Durante estudios posteriores de interacciones entre diplopterol y lípido A en Mmethylobacterium extorquens , se descubrió que el transporte de múltiples fármacos era un proceso dependiente de hopanoide. Los mutantes de escualeno-esperano ciclasa derivados de un tipo salvaje capaz de producir eflujo de múltiples fármacos , un mecanismo de resistencia a los fármacos mediado por proteínas de transporte integral, perdieron la capacidad de realizar tanto el transporte de múltiples fármacos como la síntesis de hopanoides. [12] Los investigadores indican que esto podría deberse a la regulación directa de las proteínas de transporte por parte de los hopanoides o indirectamente a la alteración del orden de las membranas de una manera que interrumpe el sistema de transporte. [12]