Deconstruyendo la microbiología mordisco a mordisco

De la Antártida a nuestros congeladores.

La Antártida es un continente del que la gente, e incluso los científicos, no conocen mucho. Con las gigantescas plataformas de hielo, el aire seco y las temperaturas más bajas jamás registradas, es difícil imaginar que alguna forma de vida sobreviva en estas condiciones. Sin embargo, existe una gran diversidad de microorganismos presentes allí. Se les llama psicrófilos (o criófilos) y, en el curso de la evolución, desarrollaron varias estrategias de crecimiento y adaptación que les permiten prosperar incluso durante los inviernos antárticos.

Las proteínas anticongelantes son el secreto de su supervivencia. Sintetizadas por bacterias, estas proteínas que se unen al hielo hacen que el hielo crezca entre las proteínas anticongelantes, lo que empuja el punto de congelación¹ y evita que el hielo forme grandes cristales que pueden ser dañinos para las células. Además, durante los ciclos de congelación-descongelación, las propiedades anticongelantes de esta proteína pueden inhibir la recristalización del hielo². Por lo tanto, no es sorprendente que las proteínas anticongelantes sean bastante comunes entre las especies que habitan en las regiones frías de la Tierra. Distintas formas de esta proteína se identificaron anteriormente en peces marinos³ e incluso en hongos del moho de la nieve⁴.

En su estudio, Muñoz⁵ y sus colegas estaban decididos a demostrar que las bacterias antárticas usan proteínas anticongelantes para sobrevivir. Los investigadores realizaron el experimento en condiciones de congelación-descongelación y aislaron tres microorganismos viables de los siguientes géneros: género Plantibacter, género Sphingomonas y género Pseudomonas. Para establecer si estos organismos poseen propiedades anticongelantes, los científicos necesitaban averiguar qué secuencias genéticas regulan la producción de estas proteínas. Los autores informaron que Plantibacter tenía dos secuencias distintas (gu3A y gu3B), Pseudomonas tenía solo una secuencia única (afp5A), y Sphingomonas parecía coincidir con una secuencia anticongelante conocida de la bacteria antártica Marinomonas primorynsis⁶.

Figura 1: Enfoque experimental utilizado en el estudio de Muñoz et al. para identificar las proteínas anticongelantes que se encuentran en las bacterias psicrófilas de la Antártida. Creado en Biorender.com

Para probar si estas secuencias estaban, de hecho, dirigiendo vías biológicas para producir las proteínas anticongelantes, los investigadores probaron proteínas elaboradas a partir de estas secuencias en dos muestras de alimentos (Figura 2): un pepino (imágenes A y B) y un zucchini (imágenes C y D). La idea subyacente de este experimento fue demostrar que las proteínas anticongelantes extraídas de las bacterias protegerían las células de las muestras de alimentos del daño causado por el hielo. La flecha roja en la imagen A muestra una célula de pepino que ha sido dañada porque las proteínas anticongelantes no estaban presentes en la solución. Por otro lado, la imagen B muestra una célula sin roturas ni daños debido a que se aplicó una proteína anticongelante extraída. Se observaron los mismos resultados en una muestra de zucchini, donde la imagen C representa una muestra sin proteínas anticongelantes y la imagen D representa una muestra con proteína anticongelante aplicada. Estos experimentos demostraron que las proteínas anticongelantes previenen las rupturas celulares causadas por la cristalización del hielo.

Figura 2: Las muestras de alimentos se combinaron con proteínas anticongelantes bacterianas para demostrar si estas proteínas protegen contra el daño celular causado por el hielo. Las flechas rojas indican las regiones dañadas de la célula, donde no se aplicaron proteínas anticongelantes. Del artículo original.

Muestra de pepino:
A. sin proteínas anticongelantes
B. con proteínas anticongelantes

Muestra de zucchini:
A. sin proteínas anticongelantes
B. con proteínas anticongelantes

Las flechas rojas indican una región dañada de la célula, donde los cristales de hielo causaron la disrupción de una estructura celular.

Pero, ¿cuál es el truco de magia oculto que tienen las proteínas anticongelantes para evitar la formación de hielo en el lugar donde el hielo domina el ambiente? Definitivamente debe ser algo poderoso, ¡y realmente lo es! Los investigadores determinaron que cada secuencia extraída contiene un aminoácido: treonina. La treonina es uno de los 20 aminoácidos esenciales y se puede encontrar en todos los organismos del planeta Tierra (así que sí, ¡los microbios también la tienen!). Este aminoácido tiene un grupo hidroxilo -OH, lo que lo convierte en una sustancia polar. Cuando un compuesto es polar, significa que atrae agua y se disuelve fácilmente. Entonces, la presencia de treonina en la proteína anticongelante trae la interacción “hielo-treonina-proteína anticongelante”. Más específicamente, el grupo hidroxilo sobresale del centro de la proteína anticongelante de una manera que la hace accesible para la interacción con un cristal de hielo⁷. La Figura 3 muestra la disposición de estos residuos de treonina en amarillo (“T” significa treonina, una abreviatura utilizada en bioquímica).

Figura 3: Representaciones de modelos AFP de secuencias afp5A (izquierda), gu3A (centro) y gu3B (derecha). Las moléculas amarillas muestran la posición de los residuos de treonina (T) en cada una de las proteínas. Figura del artículo original de Muñoz et al.

El estudio de las proteínas anticongelantes puede revolucionar muchos procesos tecnológicos que se utilizan en la actualidad. Poseen aplicaciones potenciales en la criopreservación⁸, es decir el proceso de conservación de células, tejidos, o cualquier otra estructura biológica enfriando las muestras a muy bajas temperaturas⁹. Debido a que las células madre y otros tejidos viables no se pueden almacenar a temperaturas de enfriamiento, la criopreservación puede extender significativamente la longevidad de estas muestras.

Y no nos olvidemos de la industria alimentaria y la preparación de alimentos congelados. Durante mucho tiempo, las proteínas anticongelantes se han utilizado para preservar la estructura de los alimentos vegetales y animales. Al evitar la acumulación de grandes cristales de hielo durante los ciclos de congelación-descongelación, las proteínas anticongelantes mantienen la textura crujiente y fresca de los alimentos congelados. Más importante aún, cuantos más estudios se realicen sobre las proteínas anticongelantes, mejor comprenderán los científicos sobre cómo las bacterias psicrófilas sobreviven y se adaptan a un entorno tan hostil como la Antártida.

Link to the original post: Muñoz, P.A., Márquez, S.L., González-Nilo, F.D. et al. Structure and application of antifreeze proteins from Antarctic bacteria. Microb Cell Fact 16, 138 (2017).

Other references:

1. Kristiansen, E. , Zachariassen, K.E. 2005. The mechanism by which fish antifreeze proteins cause thermal hysteresis. Cryobiology. (51), 262–80.

2. Zalis, S. , Bar Dolev, M. , Braslavsky, I. 2013. Inhibition of ice recrystallization by antifreeze proteins. Cryobiology. doi:10.1016/j.cryobiol.2013.09.147.

3. Devries, A. , Wohlschl, D. 1969. Freezing resistance in some Antarctic fishes. Science. (163), 1073–5.

4. Hoshino, T., Kiriaki, M. , Ohgiya, S. , Fujiwara, M. , Kondo, H. , Nishimiya, Y. , Yumoto, I. , Tsuda, S. 2003. Antifreeze proteins from snow mold fungi. Can J Bot. (81), 1175–81. 5. Muñoz, P.A. et al. 2017. Structure and application of antifreeze proteins from Antarctic bacteria. doi: 10.1186/s12934-017-0737-2.

5. Garnham, C. , Gilbert, J. , Hartman, C. , Campbell, R. , Laybourn‐Parry, J ., Davies, P. 2008. A Ca²⁺‐dependent bacterial antifreeze protein domain has a novel beta‐helical ice‐binding fold. Biochem J. 411(171):180.

6. Leinala, E.K. , Davies, P.L ., Jia, Z. 2002. Crystal structure of β‐helical antifreeze protein points to a general ice binding model. Structure. (10), 619–27.

7. Jeon, S.M. , Naing, A.H. , Park, K.I. , Kim, C.K. 2015. The effect of antifreeze protein on the cryopreservation of chrysanthemums. Plant Cell Tiss Organ Cult. doi:10.1007/s11240‐015‐0852‐x.

8. Jang, T.H. , Park, S.C. , Yang, J.H. , et al. 2017. Cryopreservation and its clinical applications. Integr Med Res. 6(1):12-18. doi:10.1016/j.imr.2016.12.001

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Traducido por: Santiago Chaillou