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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. Posteriormente también se encontraron proteínas similares en bacterias . [1] Las hidrofobinas son conocidas por su capacidad para formar una capa hidrofóbica (repelente al agua) en la superficie de un objeto. [2] Fueron descubiertos y separados por primera vez en la comuna de Schizophyllum 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 hidrofílicas:hidrofóbicas, como la interfaz agua:aire. La monocapa de clase I contiene la misma estructura central que las fibrillas de amiloide y es positiva para rojo Congo y tioflavina T. La monocapa formada por hidrofobinas de clase I tiene una estructura altamente ordenada y solo puede disociarse mediante trifluoroacetato concentrado o ácido fórmico. El ensamblaje de monocapa implica grandes reordenamientos estructurales con respecto al monómero. [4]

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

Se han identificado hidrofobinas en líquenes [5], así como en ascomicetos y basidiomicetos no liquenizados ; Se desconoce 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 participar en la mediación del contacto y la comunicación entre el hongo y su entorno. [7] Algunos miembros de la familia contienen varias copias del dominio.

Se ha descubierto que las hidrofobinas son estructural y funcionalmente similares a los ceratoplataninos , otro grupo de pequeñas proteínas ricas en cisteína, [8] que también contienen un alto porcentaje de aminoácidos hidrofóbicos, [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 una 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 espacio entre los residuos de cisteína, y según las diferentes propiedades fisicoquímicas de las monocapas anfipáticas que forman. [15] [16] Amplios análisis estructurales 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 monómero.

Clase I

Las hidrofobinas de clase I se caracterizan por tener una secuencia de aminoácidos bastante diversa entre diferentes tipos (con excepción de los residuos de cisteína conservados) y, en comparación con las de clase II, tienen un espaciado entre cisteínas largo y variado. [17] Forman rodlets que han sido identificados como amiloides funcionales debido a sus características similares a las del amiloide, como se observa en estudios de difracción de rayos X y se confirman 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 puede despolimerizarse mediante tratamiento con ácidos fuertes. [21] Los rodlets pueden formar espontáneamente monocapas ordenadas mediante ensamblaje lateral, mostrando una morfología fibrilar regular en interfaces hidrófobas:hidrófilas. [22] La hidrofobina de clase I mejor caracterizada es la 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 las de clase I, tienen un espacio entre cisteínas corto y regular. [17] A diferencia de la clase I, la monocapa de hidrofobinas de clase II formada en las interfaces hidrofóbica:hidrófila no es fibrilar y no está asociada con la formación de estructuras amiloides, ni con grandes cambios conformacionales. [22] No obstante, los estudios de microscopía de fuerza atómica de alta resolución revelaron la formación de un patrón repetitivo hexagonal notable 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 en ser determinadas.

Autoensamblaje de rodlets de hidrofobinas de clase I.

Existe un interés especial en comprender el mecanismo subyacente al autoensamblaje de los monómeros de clase I que conduce a la formación de monocapas de rodlet anfipáticas ordenadas 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 se han estudiado en gran medida mediante mutagénesis dirigida en un esfuerzo por identificar las regiones clave de la secuencia de aminoácidos que impulsan el autoensamblaje de los rodlets. Kwan et al. propusieron un modelo para la forma monomérica de EAS. (2006) a partir de datos estructurales obtenidos de espectroscopia de RMN y experimentos de 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 H de la columna vertebral . [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 transversal β de la fibra. [25]

La mutagénesis dirigida al sitio de EAS ha brindado información sobre los cambios estructurales específicos responsables del autoensamblaje de monómeros en rodlets y la posterior formación de monocapa anfipática en interfaces hidrófobas:hidrófilas. Kwan et al. (2008) informaron que el bucle hidrófobo largo Cys3-Cys4 no es necesario para el ensamblaje de los rodlets porque su eliminación no afecta el plegamiento y las propiedades físicas de la proteína monomérica, ni la morfología de la forma de los rodlets poliméricos. [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 las varillas ha brindado información sobre el mecanismo detrás del autoensamblaje de las hidrofobinas de clase I, pero importantes diferencias estructurales con DewA, otra hidrofobina de clase I, sugieren que los mecanismos que impulsan el ensamblaje de las varillas varían entre los diferentes tipos de hidrofobinas. Al igual que EAS, DewA también tiene una estructura central de barril β, pero se diferencia 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 conjuntos de varillas 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 varillas abrirá oportunidades para el diseño racional de hidrofobinas con nuevas aplicaciones biotecnológicas.

Potencial de uso

Desde los primeros estudios que permitieron conocer las propiedades de las hidrofobinas, estas pequeñas proteínas se han considerado excelentes candidatas para uso tecnológico. [16] La comprensión detallada de los mecanismos moleculares que subyacen al autoensamblaje de la hidrofobina en monocapa anfipática en interfaces hidrófobas:hidrófilas 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 hidrofobina de los 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 hidrofobinas incluyen:

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

Referencias

  1. ^ Hobley, et al. (Julio de 2013). "BslA es una hidrofobina bacteriana autoensamblada que recubre la biopelícula de Bacillus subtilis". PNAS . 110 (33): 13600–5. Código Bib : 2013PNAS..11013600H. doi : 10.1073/pnas.1306390110 . PMC  3746881 . PMID  23904481.
  2. ^ Sunde M, Kwan AH, Templeton MD, Beever RE, Mackay JP (octubre de 2008). "Análisis estructural de hidrofobinas". Micron . 39 (7): 773–84. doi :10.1016/j.micron.2007.08.003. PMID  17875392.
  3. ^ Wessels J, De Vries O, Asgeirsdottir SA, Schuren F (agosto de 1991). "Genes de hidrofobina implicados en la formación de hifas aéreas y cuerpos frutales en Schizophyllum". La célula vegetal . 3 (8): 793–799. doi :10.1105/tpc.3.8.793. PMC 160046 . PMID  12324614. 
  4. ^ Morris VK, Linser R, Wilde KL, Duff AP, Sunde M, Kwan AH (diciembre de 2012). "Espectroscopia de RMN de estado sólido de amiloide funcional de una hidrofobina fúngica: un núcleo de hoja β bien ordenado en medio de heterogeneidad estructural". Angewandte Chemie . 51 (50): 12621–5. doi :10.1002/anie.201205625. hdl : 11858/00-001M-0000-0018-A6D2-4 . PMID  23125123.
  5. ^ Peter Döbbeler, Gerhard Rambold (2004). Aportes a la Liquenología . Gebrüder Borntraeger Verlagsbuchhandlung. pag. 207.
  6. ^ ab Wösten HA (2001). "Hidrofobinas: proteínas polivalentes". Revista Anual de Microbiología . 55 : 625–46. doi :10.1146/annurev.micro.55.1.625. hdl : 1874/13610 . PMID  11544369. S2CID  38833738.
  7. ^ Whiteford JR, Spanu PD (abril de 2001). "La hidrofobina HCf-1 de Cladosporium fulvum es necesaria para la dispersión eficiente de conidios mediada por agua". Genética y biología de hongos . 32 (3): 159–68. doi :10.1006/fgbi.2001.1263. PMID  11343402.
  8. ^ Chen H, Kovalchuk A, Keriö S, Asiegbu FO (20 de enero de 2017). "Distribución y análisis bioinformático de la familia de proteínas ceratoplataninas en Dikarya". Micología . 105 (6): 1479–88. doi :10.3852/13-115. PMID  23928425. S2CID  23984426.
  9. ^ Baccelli I, Comparini C, Bettini PP, Martellini F, Ruocco M, Pazzagli L, Bernardi R, Scala A (febrero de 2012). "La expresión del gen ceratoplatanino está relacionada con el crecimiento de hifas y la formación de clamidosporas en Ceratocystis platani". Cartas de microbiología FEMS . 327 (2): 155–63. doi : 10.1111/j.1574-6968.2011.02475.x . hdl : 2158/645742 . PMID  22136757.
  10. ^ Wösten HA, van Wetter MA, Lugones LG, van der Mei HC, Busscher HJ, Wessels JG (enero de 1999). "Cómo un hongo escapa del agua para crecer en el aire". Biología actual . 9 (2): 85–8. doi : 10.1016/S0960-9822(99)80019-0 . PMID  10021365. S2CID  15134716.
  11. ^ Stringer MA, Dean RA, Sewall TC, Timberlake WE (julio de 1991). "Rodletless, un nuevo mutante del desarrollo de Aspergillus inducido por inactivación genética dirigida". Genes y desarrollo . 5 (7): 1161–71. doi : 10.1101/gad.5.7.1161 . PMID  2065971.
  12. ^ Lauter FR, Russo VE, Yanofsky C (diciembre de 1992). "Desarrollo y regulación de la luz de eas, el gen estructural de la proteína rodlet de Neurospora". Genes y desarrollo . 6 (12A): 2373–81. doi : 10.1101/gad.6.12a.2373 . PMID  1459459.
  13. ^ Zajc J, Liu Y, Dai W, Yang Z, Hu J, Gostinčar C, Gunde-Cimerman N (septiembre de 2013). "Secuenciación del genoma y transcriptoma del hongo halófilo Wallemia ichthyophaga: haloadaptaciones presentes y ausentes". Genómica BMC . 14 : 617. doi : 10.1186/1471-2164-14-617 . PMC 3849046 . PMID  24034603. 
  14. ^ Madern D, Ebel C, Zaccai G (abril de 2000). "Adaptación halófila de enzimas". Extremófilos . 4 (2): 91–8. doi :10.1007/s007920050142. PMID  10805563. S2CID  32590023.
  15. ^ abc Macindoe I, Kwan AH, Ren Q, Morris VK, Yang W, Mackay JP, Sunde M (abril de 2012). "Autoensamblaje de monocapas de amiloide anfipáticas funcionales mediante la hidrofobina fúngica EAS". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 109 (14): E804-11. doi : 10.1073/pnas.1114052109 . PMC 3325668 . PMID  22308366. 
  16. ^ ab Wessels JG (septiembre de 1994). "Regulación del desarrollo de la formación de la pared celular de los hongos". Revisión Anual de Fitopatología . 32 (1): 413–37. doi :10.1146/annurev.py.32.090194.002213.
  17. ^ ab Wessels JG (1997). "Hidrofobinas: proteínas que cambian la naturaleza de la superficie del hongo". Avances en fisiología microbiana Volumen 38 . vol. 38. págs. 1–45. doi :10.1016/S0065-2911(08)60154-X. ISBN 9780120277384. PMID  8922117. {{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )
  18. ^ ab Kwan AH, Winefield RD, Sunde M, Matthews JM, Haverkamp RG, Templeton MD, Mackay JP (marzo de 2006). "Base estructural para el ensamblaje de varillas en hidrofobinas fúngicas". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 103 (10): 3621–6. Código Bib : 2006PNAS..103.3621K. doi : 10.1073/pnas.0505704103 . PMC 1533775 . PMID  16537446. 
  19. ^ Eichner T, Radford SE (julio de 2011). "Una diversidad de mecanismos de ensamblaje de un pliegue amiloide genérico". Célula molecular . 43 (1): 8–18. doi : 10.1016/j.molcel.2011.05.012 . PMID  21726806.
  20. ^ Beever RE, Redgwell RJ, Dempsey GP (diciembre de 1979). "Purificación y caracterización química de la capa de rodlets de conidios de Neurospora crassa". Revista de Bacteriología . 140 (3): 1063–70. doi :10.1128/jb.140.3.1063-1070.1979. PMC 216753 . PMID  160407. 
  21. ^ de Vries OM, Fekkes MP, Wösten HA, Wessels JG (abril de 1993). "Complejos de hidrofobina insoluble en las paredes de Schizophyllum commune y otros hongos filamentosos". Archivos de Microbiología . 159 (4): 330–5. Código Bib : 1993ArMic.159..330D. doi :10.1007/BF00290915. S2CID  25891213.
  22. ^ ab Ren Q, Kwan AH, Sunde M (noviembre de 2013). "Dos formas y dos caras, múltiples estados y múltiples usos: Propiedades y aplicaciones de las hidrofobinas fúngicas autoensamblantes". Biopolímeros . 100 (6): 601–12. doi :10.1002/bip.22259. PMID  23913717.
  23. ^ ab Morris VK, Kwan AH, Sunde M (enero de 2013). "El análisis de la estructura y los estados conformacionales de DewA brinda información sobre el ensamblaje de las hidrofobinas fúngicas". Revista de biología molecular . 425 (2): 244–56. doi :10.1016/j.jmb.2012.10.021. PMID  23137797.
  24. ^ Szilvay GR, Paananen A, Laurikainen K, Vuorimaa E, Lemmetyinen H, Peltonen J, Linder MB (marzo de 2007). "Películas de proteína de hidrofobina autoensambladas en la interfaz aire-agua: análisis estructural e ingeniería molecular". Bioquímica . 46 (9): 2345–54. doi :10.1021/bi602358h. PMID  17297923.
  25. ^ Sunde M, Serpell LC, Bartlam M, Fraser PE, Pepys MB, Blake CC (octubre de 1997). "Estructura central común de fibrillas de amiloide mediante difracción de rayos X sincrotrón". Revista de biología molecular . 273 (3): 729–39. doi :10.1006/jmbi.1997.1348. PMID  9356260.
  26. ^ Kwan AH, Macindoe I, Vukasin PV, Morris VK, Kass I, Gupte R, Mark AE, Templeton MD, Mackay JP, Sunde M (octubre de 2008). "El bucle Cys3-Cys4 de la hidrofobina EAS no es necesario para la formación de rodlets y la actividad superficial". Revista de biología molecular . 382 (3): 708–20. doi :10.1016/j.jmb.2008.07.034. PMID  18674544.
  27. ^ Morris VK, Kwan AH, Mackay JP, Sunde M (abril de 2012). "Asignaciones de desplazamiento químico de la columna vertebral y la cadena lateral ¹H, ¹³C y ¹⁵N de la hidrofobina DewA de Aspergillus nidulans". Asignaciones de RMN biomolecular . 6 (1): 83–6. doi :10.1007/s12104-011-9330-5. PMID  21845363. S2CID  29402126.
  28. ^ Yang W, Ren Q, Wu YN, Morris VK, Rey AA, Braet F, Kwan AH, Sunde M (enero de 2013). "Funcionalización de superficies de nanomateriales de carbono mediante proteínas de hidrofobina autoensambladas". Biopolímeros . 99 (1): 84–94. doi :10.1002/bip.22146. PMID  23097233.
  29. ^ Linder MB, Qiao M, Laumen F, Selber K, Hyytiä T, Nakari-Setälä T, Penttilä ME (septiembre de 2004). "Purificación eficiente de proteínas recombinantes utilizando hidrofobinas como etiquetas en sistemas bifásicos basados ​​​​en tensioactivos". Bioquímica . 43 (37): 11873–82. doi :10.1021/bi0488202. PMID  15362873.
  30. ^ Collén A, Penttilä M, Stålbrand H, Tjerneld F, Veide A (enero de 2002). "Extracción de proteínas de fusión de endoglucanasa I (Ce17B) del filtrado de cultivo de Trichoderma reesei en un sistema acuoso de dos fases de poli (etilenglicol) -fosfato". Revista de cromatografía A. 943 (1): 55–62. doi :10.1016/S0021-9673(01)01433-9. PMID  11820281.
  31. ^ Joensuu JJ, Conley AJ, Lienemann M, Brandle JE, Linder MB, Menassa R (febrero de 2010). "Fusiones de hidrofobina para la expresión y purificación transitoria de proteínas de alto nivel en Nicotiana benthamiana". Fisiología vegetal . 152 (2): 622–33. doi : 10.1104/pp.109.149021. PMC 2815860 . PMID  20018596. 
  32. ^ Haas Jimoh Akanbi M, Post E, Meter-Arkema A, Rink R, Robillard GT, Wang X, Wösten HA, Scholtmeijer K (febrero de 2010). "Uso de hidrofobinas en la formulación de fármacos insolubles en agua para administración oral". Coloides y Superficies. B, Biointerfaces . 75 (2): 526–31. doi :10.1016/j.colsurfb.2009.09.030. PMID  19836932.
  33. ^ Bimbo LM, Sarparanta M, Mäkilä E, Laaksonen T, Laaksonen P, Salonen J, Linder MB, Hirvonen J, Airaksinen AJ, Santos HA (mayo de 2012). "Interacciones celulares de partículas de silicio nanoporosas modificadas en la superficie". Nanoescala . 4 (10): 3184–92. Código Bib : 2012 Nanos...4.3184B. doi :10.1039/c2nr30397c. PMID  22508528.
  34. ^ Sarparanta M, Bimbo LM, Rytkönen J, Mäkilä E, Laaksonen TJ, Laaksonen P, Nyman M, Salonen J, Linder MB, Hirvonen J, Santos HA, Airaksinen AJ (marzo de 2012). "Administración intravenosa de nanopartículas de silicio porosas funcionalizadas con hidrofobina: estabilidad, adsorción de proteínas plasmáticas y biodistribución". Farmacéutica molecular . 9 (3): 654–63. doi :10.1021/mp200611d. PMID  22277076.
  35. ^ Nakari-Setälä T, Azeredo J, Henriques M, Oliveira R, Teixeira J, Linder M, Penttilä M (julio de 2002). "Expresión de una hidrofobina fúngica en la pared celular de Saccharomyces cerevisiae: efecto sobre las propiedades de la superficie celular y la inmovilización". Microbiología Aplicada y Ambiental . 68 (7): 3385–91. Código Bib : 2002ApEnM..68.3385N. doi :10.1128/AEM.68.7.3385-3391.2002. PMC 126783 . PMID  12089019. 
  36. ^ Niu B, Huang Y, Zhang S, Wang D, Xu H, Kong D, Qiao M (mayo de 2012). "Expresión y caracterización de hidrofobina HGFI fusionada con el péptido celular específico TPS en Pichia pastoris". Expresión y purificación de proteínas . 83 (1): 92–7. doi :10.1016/j.pep.2012.03.004. PMID  22440542.
  37. ^ Boeuf S, Throm T, Gutt B, Strunk T, Hoffmann M, Seebach E, Mühlberg L, Brocher J, Gotterbarm T, Wenzel W, Fischer R, Richter W (marzo de 2012). "Ingeniería de hidrofobina DewA para generar superficies que mejoren la adhesión de células humanas pero no bacterianas". Acta Biomaterialia . 8 (3): 1037–47. doi :10.1016/j.actbio.2011.11.022. PMID  22154865.
  38. ^ Hektor HJ, Scholtmeijer K (agosto de 2005). "Hidrofobinas: proteínas con potencial". Opinión Actual en Biotecnología . 16 (4): 434–9. doi :10.1016/j.copbio.2005.05.004. PMID  15950452.
  39. ^ Cox PW, Hooley P (febrero de 2009). "Hidrofobinas: nuevas perspectivas para la biotecnología". Reseñas de biología de hongos . 23 (1–2): 40–7. doi :10.1016/j.fbr.2009.09.001. hdl : 2436/117149 .

Lectura adicional


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