Las vesículas de gas , también conocidas como vacuolas de gas , son nanocompartimentos en ciertos organismos procariotas , que ayudan en la flotabilidad. [1] Las vesículas de gas están compuestas enteramente de proteínas ; no se han detectado lípidos ni carbohidratos.
Las vesículas de gas se producen principalmente en organismos acuáticos, ya que se utilizan para modular la flotabilidad de la célula y modificar la posición de la célula en la columna de agua para que pueda ubicarse de manera óptima para la fotosíntesis o moverse a lugares con más o menos oxígeno. [1] Los organismos que pueden flotar hasta la interfaz aire-líquido superan a otros aerobios que no pueden ascender en una columna de agua, mediante el uso de oxígeno en la capa superior.
Además, las vesículas de gas se pueden utilizar para mantener una salinidad óptima al posicionar al organismo en lugares específicos en un cuerpo de agua estratificado para evitar el choque osmótico . [2] Las altas concentraciones de soluto harán que el agua salga de la célula por ósmosis , lo que provocará la lisis celular. La capacidad de sintetizar vesículas de gas es una de las muchas estrategias que permiten a los organismos halófilos tolerar entornos con alto contenido de sal.
Las vesículas de gas son probablemente uno de los mecanismos más tempranos de motilidad entre los organismos microscópicos debido al hecho de que es la forma más extendida de motilidad conservada dentro del genoma de los procariotas, algunos de los cuales han evolucionado hace unos 3 mil millones de años. [3] [4] Los modos de motilidad activa, como el movimiento de los flagelos, requieren un mecanismo que pueda convertir la energía química en energía mecánica y, por lo tanto, es mucho más complejo y habría evolucionado más tarde. Las funciones de las vesículas de gas también se conservan en gran medida entre las especies, aunque el modo de regulación puede diferir, lo que sugiere la importancia de las vesículas de gas como una forma de motilidad. En ciertos organismos, como la enterobacteria Serratia sp., la motilidad basada en flagelos y la producción de vesículas de gas están reguladas de manera opuesta por una única proteína de unión al ARN, RsmA, lo que sugiere modos alternativos de adaptación ambiental que se habrían desarrollado en diferentes taxones a través de la regulación del desarrollo entre la motilidad y la flotación. [5]
Aunque hay evidencia que sugiere la evolución temprana de vesículas de gas, la transferencia de plásmidos sirve como una explicación alternativa de la naturaleza generalizada y conservada del orgánulo. [4] La escisión de un plásmido en Halobacterium halobium resultó en la pérdida de la capacidad de biosintetizar vesículas de gas, lo que indica la posibilidad de transferencia horizontal de genes , que podría resultar en una transferencia de la capacidad de producir vesículas de gas entre diferentes cepas de bacterias. [6]
Las vesículas de gas son generalmente tubos huecos de proteína con forma de limón o cilíndricos con tapas cónicas en ambos extremos. Las vesículas varían más en su diámetro. Las vesículas más grandes pueden contener más aire y usar menos proteína, lo que las hace más económicas en términos de uso de recursos; sin embargo, cuanto más grande es una vesícula, estructuralmente más débil es bajo presión y se requiere menos presión antes de que la vesícula colapse. Los organismos han evolucionado para ser más eficientes con el uso de proteínas y usar el diámetro máximo de vesícula más grande que soportará la presión a la que podría estar expuesto el organismo. Para que la selección natural haya afectado a las vesículas de gas, el diámetro de las vesículas debe estar controlado por la genética. Aunque los genes que codifican vesículas de gas se encuentran en muchas especies de haloarchaea , solo unas pocas especies las producen. El primer gen de vesícula de gas de Haloarchaea, GvpA, fue clonado de Halobacterium sp. NRC-1. [7] 14 genes están involucrados en la formación de vesículas de gas en haloarchaea. [8]
El primer gen de vesícula gaseosa, GvpA, fue identificado en Calothrix. [9] Existen al menos dos proteínas que componen la vesícula gaseosa de una cianobacteria: GvpA y GvpC. GvpA forma costillas y gran parte de la masa (hasta el 90%) de la estructura principal. GvpA es fuertemente hidrofóbica y puede ser una de las proteínas más hidrofóbicas conocidas. GvpC es hidrofílica y ayuda a estabilizar la estructura mediante inclusiones periódicas en las costillas de GvpA. GvpC es capaz de ser lavado fuera de la vesícula y una disminución consecuente en la fuerza de la vesícula. El espesor de la pared de la vesícula puede variar de 1,8 a 2,8 nm. La estructura acanalada de la vesícula es evidente tanto en las superficies internas como externas con un espaciamiento de 4-5 nm entre las costillas. Las vesículas pueden tener entre 100 y 1400 nm de largo y entre 45 y 120 nm de diámetro.
Dentro de una especie, los tamaños de las vesículas de gas son relativamente uniformes con una desviación estándar de ±4%.
Parece que las vesículas de gas comienzan su existencia como pequeñas estructuras bicónicas (dos conos con las bases planas unidas) que se agrandan hasta alcanzar un diámetro específico y luego crecen y expanden su longitud. Se desconoce exactamente qué controla el diámetro, pero puede ser una molécula que interfiera con la GvpA o la forma de la GvpA puede cambiar.
La formación de vesículas de gas está regulada por dos proteínas Gvp: GvpD, que reprime la expresión de las proteínas GvpA y GvpC, y GvpE, que induce la expresión. [10] Los factores ambientales extracelulares también afectan la formación de vesículas, ya sea regulando la producción de proteínas Gvp o alterando directamente la estructura de la vesícula. [8] [11]
Se ha descubierto que la intensidad de la luz afecta la producción y el mantenimiento de vesículas de gas de forma diferente entre distintas bacterias y arqueas. En el caso de Anabaena flos-aquae , las intensidades de luz más altas provocan el colapso de las vesículas debido a un aumento de la presión de turgencia y una mayor acumulación de productos fotosintéticos. En las cianobacterias, la producción de vesículas disminuye con una intensidad de luz alta debido a la exposición de la superficie bacteriana a la radiación UV, que puede dañar el genoma bacteriano. [11]
Se ha descubierto que la acumulación de glucosa, maltosa o sacarosa en Haloferax mediterranei y Haloferax volcanii inhibe la expresión de las proteínas GvpA y, por lo tanto, reduce la producción de vesículas de gas. Sin embargo, esto solo ocurre en la fase de crecimiento exponencial temprano de la célula. La formación de vesículas también podría inducirse al disminuir las concentraciones de glucosa extracelular. [12]
Se ha descubierto que la falta de oxígeno afecta negativamente la formación de vesículas de gas en arqueas halófilas. Halobacterium salinarum produce pocas o ninguna vesícula en condiciones anaeróbicas debido a la síntesis reducida de transcripciones de ARNm que codifican proteínas Gvp. H. mediterranei y H. volcanii no producen vesículas en condiciones anóxicas debido a una disminución en las transcripciones sintetizadas que codifican GvpA y las transcripciones truncadas que expresan GvpD. [12]
Se ha descubierto que el aumento de los niveles de pH extracelular aumenta la formación de vesículas en las especies de Microcytis. Con un pH elevado, aumentan los niveles de transcripciones de gvpA y gvpC , lo que permite una mayor exposición a los ribosomas para su expresión y conduce a una regulación positiva de las proteínas Gvp. Esto puede atribuirse a una mayor transcripción de estos genes, una menor degradación de las transcripciones sintetizadas o una mayor estabilidad del ARNm. [13]
Se descubrió que la irradiación ultrasónica, a ciertas frecuencias, colapsaba las vesículas de gas en la cianobacteria Spirulina platensis , impidiendo su floración. [14]
En la enterobacteria Serratia sp. cepa ATCC39006 , la vesícula de gas se produce solo cuando hay una concentración suficiente de una molécula de señalización, la N-acilo homoserina lactona. En este caso, la molécula de detección de quórum , la N-acilo homoserina lactona, actúa como un morfógeno que inicia el desarrollo de orgánulos. [5] Esto es ventajoso para el organismo, ya que los recursos para la producción de vesículas de gas se utilizan solo cuando hay una limitación de oxígeno causada por un aumento en la población bacteriana.
El gen gvp C de la vesícula gaseosa de Halobacterium sp. se utiliza como sistema de administración para estudios de vacunas.
Varias características de la proteína codificada por el gen gvp C de vesículas gaseosas permiten que se la utilice como portadora y adyuvante de antígenos: es estable, resistente a la degradación biológica, tolera temperaturas relativamente altas (hasta 50 °C) y no es patógena para los humanos. [15] Varios antígenos de diversos patógenos humanos se han recombinado en el gen gvp C para crear vacunas de subunidades con respuestas inmunológicas duraderas. [16]
Diferentes segmentos genómicos que codifican para varias proteínas del patógeno Chlamydia trachomatis , incluyendo MOMP, OmcB y PompD, se unen al gen gvp C de Halobacteria . Las evaluaciones in vitro de células muestran la expresión de los genes de Chlamydia en las superficies celulares a través de técnicas de imagen y muestran respuestas inmunológicas características como actividades de TLR y producción de citocinas proinflamatorias. [17] El gen de vesícula de gas puede ser explotado como un vehículo de administración para generar una posible vacuna para Chlamydia. Las limitaciones de este método incluyen la necesidad de minimizar el daño de la proteína GvpC en sí misma mientras se incluye la mayor cantidad posible del gen objetivo de la vacuna en el segmento del gen gvp C. [17]
Un experimento similar utiliza el mismo gen de vesícula de gas y la proteína efectora de fosfato de inosina secretada por el patógeno Salmonella enterica SopB4 y SopB5 para generar un vector de vacuna potencial. Los ratones inmunizados secretan citocinas proinflamatorias IFN-γ, IL-2 e IL-9. También se detecta el anticuerpo IgG. Después de una prueba de provocación de infección, no se encontró ninguna bacteria o una cantidad significativamente menor en los órganos recolectados, como el bazo y el hígado. Las vacunas potenciales que utilizan vesículas de gas como una presentación de antígenos se pueden administrar por vía mucosa como una vía de administración alternativa, lo que aumenta su accesibilidad a más personas y provoca una gama más amplia de respuestas inmunes dentro del cuerpo. [15]
Las vesículas de gas tienen varias propiedades físicas que las hacen visibles en varias modalidades de imágenes médicas . [18] La capacidad de las vesículas de gas para dispersar la luz se ha utilizado durante décadas para estimar su concentración y medir su presión de colapso. El contraste óptico de las vesículas de gas también les permite servir como agentes de contraste en la tomografía de coherencia óptica , con aplicaciones en oftalmología . [19] La diferencia en la impedancia acústica entre el gas en sus núcleos y el fluido circundante proporciona a las vesículas de gas un contraste acústico robusto. [20] Además, la capacidad de algunas capas de vesículas de gas para doblarse genera ecos de ultrasonidos armónicos que mejoran la relación entre el contraste y el tejido. [21] Finalmente, las vesículas de gas se pueden utilizar como agentes de contraste para la resonancia magnética (MRI), basándose en la diferencia entre la susceptibilidad magnética del aire y el agua. [22] La capacidad de colapsar de forma no invasiva las vesículas de gas utilizando ondas de presión proporciona un mecanismo para borrar su señal y mejorar su contraste. Restar las imágenes antes y después del colapso acústico puede eliminar las señales de fondo mejorando la detección de vesículas de gas.
La expresión heteróloga de vesículas de gas en células bacterianas [23] y de mamíferos [24] permitió su uso como la primera familia de genes reporteros acústicos . [25] Si bien los genes reporteros fluorescentes como la proteína fluorescente verde (GFP) tuvieron un uso generalizado en biología, sus aplicaciones in vivo están limitadas por la profundidad de penetración de la luz en el tejido, típicamente unos pocos mm. La luminiscencia se puede detectar a mayor profundidad dentro del tejido, pero tiene una baja resolución espacial. Los genes reporteros acústicos proporcionan una resolución espacial submilimétrica y una profundidad de penetración de varios centímetros, lo que permite el estudio in vivo de procesos biológicos en las profundidades del tejido.