Los extremófilos son capaces de sobrevivir a las condiciones más adversas de la Tierra
El microbio Pyrodictium abyssi es una arquea —miembro del tercer dominio de la vida— y un extremófilo. Vive en fuentes termales de aguas profundas, a temperaturas superiores al punto de ebullición del agua, sin luz ni oxígeno, soportando la enorme presión de profundidades oceánicas de miles de metros.
Una biomatriz de diminutos tubos de proteína, conocidos como cánulas, une las células de Pyrodictium abyssi formando una comunidad microbiana altamente estable. Nadie sabía cómo estos microbios unicelulares lograron esta proeza de ingeniería extrema, hasta ahora.
Un estudio que utiliza técnicas avanzadas de microscopía revela nuevos detalles sobre el elegante diseño de las cánulas y la notable simplicidad de su método de construcción. El trabajo fue dirigido por científicos de la Universidad Emory; la Universidad de Virginia, Charlottesville; y la Universidad Libre de Bruselas (Bélgica).
El descubrimiento tiene el potencial de inspirar innovaciones en biotecnología, desde el desarrollo de nuevos materiales "inteligentes" hasta sistemas de administración de fármacos a nanoescala.
"Las cánulas no solo son lo suficientemente resistentes como para soportar condiciones extremas, sino que también son hermosas", afirma Vincent Conticello, profesor de química de Emory y coautor principal del artículo. "Para mí, se asemejan a columnas de la arquitectura clásica de la antigua Grecia o Roma", añade, destacando sus bordes estriados y su precisa regularidad.
Los investigadores demostraron cómo el calcio mineral activa las hebras de las moléculas de proteína para que se unan, una tras otra, y se autoensamblen formando las elaboradas estructuras de las cánulas.
"Nos impresionó la simplicidad de este proceso de construcción", afirma Conticello.
El estudio aporta nuevas pistas sobre el posible papel de las cánulas como red de transporte de información y carga. Además, refuerza la evidencia de que Pyrodictium abyssi podría servir como ejemplo primitivo de cómo las formas de vida multicelulares surgieron del caldo primigenio de la Tierra primitiva hace miles de millones de años.
Vídeo: Detalle del modelo estructural de un tubo de cánula. Las proteínas se muestran en verde y los iones de calcio en rojo. Crédito: Laboratorio Conticello.
"Pyrodictium abyssi siempre forma estas cánulas", afirma Conticello. "Podría haberles otorgado una ventaja evolutiva al poder intercambiar carga y permitir que toda una comunidad sobreviviera en condiciones extremas".
Extremófilos y el dominio de las arqueas
Los extremófilos, microorganismos capaces de sobrevivir a las condiciones más adversas de la Tierra, se descubrieron por primera vez en las aguas termales casi hirvientes del Parque Nacional de Yellowstone en 1969. Desde entonces, los bioprospectores que buscan estas resistentes formas de vida las han encontrado viviendo en los ambientes ácidos de minas profundas, encerradas en el hielo y en respiraderos de aguas profundas.
Algunos de estos extremófilos pertenecen al dominio de las arqueas, que resultó ser una rama de vida completamente nueva.
Las arqueas no solo prosperan en ambientes extremos. Son ubicuas y forman parte de la microbiota de todos los organismos, incluidos los humanos, donde se encuentran en el intestino, la boca y la piel.
Sin embargo, no se clasificaron correctamente hasta 1977, cuando el análisis del material genético de las arqueas demostró que no eran bacterias, como se creía anteriormente. En cambio, estos organismos unicelulares tienen un linaje evolutivo distinto del de las bacterias y de Eukarya, que incluye a todos los organismos multicelulares.
Pyrodictium abyssi, que toma su nombre de las raíces griegas para "fuego", "red" y "abismo", fue aislado de respiraderos marinos en 1991 por el microbiólogo alemán Karl Stetter.
Los científicos investigan diversas arqueas para intentar identificar enzimas (un tipo especial de proteína que actúa como catalizador biológico) capaces de funcionar en condiciones extremas. Estas enzimas podrían allanar el camino hacia herramientas de bioingeniería para diversas aplicaciones.
Imagen: Detalle del modelo estructural de un tubo de cánula. Las proteínas se muestran en verde y los iones de calcio en rojo. Crédito: Laboratorio Conticello.
Estudio y síntesis de proteínas de cánulas
Estudiar muestras de Pyrodictium abyssi recolectadas de la naturaleza puede ser un desafío. El microbio necesita para sobrevivir un entorno de alta presión y sin oxígeno.
"También tiene que cultivarse bajo gas hidrógeno y produce sulfuro de hidrógeno, que es extremadamente corrosivo y tóxico para los humanos", dice Conticello.
Para obtener una visión más detallada de la estructura de las cánulas sin trabajar con Pyrodictium abyssi, el laboratorio de Conticello sintetiza la secuencia de ADN de la proteína. Posteriormente, el gen de la proteína se implanta en muestras de laboratorio de bacterias E. coli, que leen la información codificada por el gen y producen la proteína de las cánulas.
El equipo de Emory colaboró con investigadores de la Universidad de Virginia para obtener la vista más detallada hasta la fecha de los tubos de proteína mediante criomicroscopía electrónica de alta potencia. También exploraron el método que utiliza la proteína para crecer en la estructura mediante imágenes de alta resolución y análisis químicos.
Demostraron cómo la adición de iones de calcio a una solución de proteínas desencadena un efecto dominó: las cadenas de una proteína se unen a otra.
"La unión de una proteína inicia el proceso en la siguiente", dice Conticello. "Es como una serie de fichas de dominó de proteínas, que se golpean entre sí y luego encajan en su lugar como piezas de Lego. Así es como se forma un tubo de proteínas".
El calcio permanece en la estructura, como el mortero que ayuda a mantener unidos los "ladrillos" de proteínas.
Es sorprendente que una interacción tan fuerte ocurra simplemente con la adición de calcio, dice Conticello, y sin la ayuda de la maquinaria celular como los cilios y los flagelos, las estructuras similares a pelos que a menudo permiten el movimiento de los microbios.
"Es inspirador ver una estructura tan compleja y hermosa surgir de un proceso tan simple", dice Conticello.
El trabajo se ha publicado en Nature Communications: Donor strand complementation and calcium ion coordination drive the chaperone-free polymerization of archaeal cannulae
