Vivir bajo presión: lecciones de la cuna de la vida

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respiradero hidrotermal

La alta presión puede ejercer sus efectos en los seres vivos en muchas escalas diferentes

Se ha teorizado que los respiraderos hidrotermales alcalinos de aguas profundas son un lugar donde podría haberse originado la vida. La elevada temperatura, el pH alcalino y la acción de ventilación única concentran minerales y crean gradientes energéticos locales que pueden promover primitivas reacciones metabólicas.

Aunque a veces se pasa por alto, las extremas presiones hidrostáticas que se encuentran en los respiraderos de aguas profundas también pueden facilitar varios tipos de ensamblaje molecular que de otro modo no se producirían espontáneamente al nivel del mar.

Hoy en día, hay muchos organismos complejos que han persistido o habitado de nuevo en las profundidades del mar a través de diversas adaptaciones metabólicas y fisiológicas. Entre los más extremos se encuentran los procariotas 'piezofílicos' o amantes de la presión de la familia Colwellia.

Estos organismos se pueden encontrar en las fosas más profundas, a unos 11.000 metros bajo la superficie, donde las presiones alcanzan los 110 megapascales (la presión atmosférica es de 0.1 MPa). Un reciente artículo publicado en BioRxiv analiza los genomas de siete cepas de Colwellia para descubrir exactamente cómo se adapta la vida a la alta presión.

Lo que encontraron fue que las cepas más piezofílicas de Colwellia tenían en su proteoma niveles mucho más altos de aminoácidos básicos e hidrófobos. Esto probablemente estabilizaría y limitaría la intrusión de agua en proteínas bajo presión. El grupo piezofílico también tenía más genes para la replicación, recombinación y reparación de proteínas, y también para la motilidad celular y la biogénesis de la pared celular y la membrana. Más específicamente, tenían un mayor porcentaje de ácidos grasos insaturados y formas variantes de colesterol que son cruciales para ajustar y mantener la fluidez de la membrana a alta presión.

Curiosamente, muchos de estos genes se encontraron exclusivamente dentro de regiones altamente variables conocidas como islas genómicas, lo que indica que estas adaptaciones probablemente fueron facilitadas por la transferencia horizontal de genes a través de transposasas u otros elementos móviles. Una peculiaridad encontrada en estas regiones variables es la abundancia de los sistemas de genes de toxina-antitoxina rápidamente modificados que también se encuentran en muchas bacterias.

Otra observación fue que el grupo piezofílico carecía de TMAO reductasa, la enzima que reduce TMAO a TMA. Esto se ha atribuido a una necesidad preferencial de TMAO como 'piezolito' sobre su uso alternativo como aceptor de electrones.

Al observar más de cerca la energía y la respiración, los autores identificaron en piezófilos un grupo adicional de genes 'nuo' de ubiquinona oxidorreductasa NADH. Esta exclusiva NADH deshidrogenasa transloca cuatro protones por dos electrones y puede ayudar con la adquisición de energía a alta presión. Curiosamente, se observa que la bacteria shewanella, ahora famosa por su transporte de electrones dependiente de espín ecléctico a través de circuitos de electrones multiheme, tiene muchas similitudes con Colwellia. Estos incluyen no solo el mismo tipo de oxidorreductasas NADH mencionadas anteriormente, sino también sistemas genéticos de toxina-antitoxina hipervariables similares.

La alta presión puede ejercer sus efectos en los seres vivos en muchas escalas diferentes. En general, alterará las distancias y conformaciones intermoleculares, pero no afectará las longitudes de enlace covalente o los ángulos de enlace. Los péptidos, los lípidos y las estructuras macromoleculares de azúcar solo se perturban significativamente por encima de 2 MPa. Por otro lado, la asociación de proteínas con el ADN es menos estable a elevada presión, y la doble hélice del ADN se desplaza a formas más densas, lo que afecta la transcripción y la expresión.

Si bien gran parte del mar profundo es extremadamente frío, las temperaturas dentro de las regiones de respiraderos hidrotermales pueden alcanzar los 400 grados C. Cuando se combina con una presión superior a 30 MPa, se crean condiciones que corresponden al estado supercrítico termodinámico. El agua supercrítica tiene una constante dieléctrica aumentada, viscosidad, densidad e hidratación iónica. Como resultado, disminuye la solubilidad de los compuestos polares e iónicos, mientras que aumenta la de las moléculas apolares. El resultado neto de esto es que las moléculas prebióticas se concentran fácilmente y pueden reaccionar de manera más eficiente.

Una vez que las reacciones metabólicas catalizadas por metales primitivos se han apoderado, y los aminoácidos pueden ser polimerizados en proteínas rudimentarias, comenzamos a comprender la evolución de los pliegues básicos de proteínas en la raíz de una antigua red metabólica. Tal es el caso del pliegue de ferredoxina que une los compuestos de hierro y azufre, y el pliegue "Rossmann", que une los nucleótidos. Ahora hay evidencia de que los dos pliegues pueden haber compartido un ancestro común, y potencialmente podrían haber sido la primera enzima metabólica de la vida tal como la conocemos.

Entonces, ¿por qué nos preocupamos por la alta presión y, lo que es más importante, qué es lo que nos va a hacer ahora una mejor comprensión? Por un lado, la terapia hiperbárica se ha promocionado como una posible solución para muchas cosas. De hecho, todos los superyates más lujosos tienen una debajo de la cubierta para descomprimir después de una inmersión profunda. Dicho esto, también se ha sugerido como una forma de destruir las fibrillas amiloides en la enfermedad de Alzheimer. ¿Pero eso sería realmente sabio?

Un problema potencial es que el efecto desconcertante de la alta presión sobre la agregación de proteínas consiste, por un lado, en inducir estados intermedios propensos a la agregación y, por otro lado, la capacidad de la alta presión para prevenir la agregación y disociar los agregados. La susceptibilidad de los agregados de proteínas a la presión depende en gran medida del grado del orden estructural de un agregado. Los agregados amorfos frescos son más sensibles a la presión y propensos a replegarse al estado nativo que las fibrillas amiloides maduras. Más allá de la enfermedad de Alzheimer, estas consideraciones pueden complicar otros esfuerzos ahora en revisión para eliminar los agregados de priones infecciosos con alta presión.

Otro uso intrigante surge en el potencial de descontaminar los alimentos mediante el pretratamiento con altas presiones. Quizás aún más oportuno sería la habilidad divina definitiva para atacar selectivamente varios virus infecciosos similares al coronavirus usando alta presión.

Artículo científico: Distinctive Gene and Protein Characteristics of Extremely Piezophilic Colwellia

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