La Ciencia y sus Demonios

Todos los organismos de este planeta están adaptados para vivir en unas determinadas condiciones ambientales, y la mayoría de ellos cuando se les saca de esas condiciones ponen en un serio compromiso su vida. Temperatura, pH, osmolaridad, presión, luz, radiación, etc, marcan la supervivencia de los sistemas biológicos. Son muchos los organismos que viven en condiciones semejantes a las nuestras. El cuerpo humano posee una temperatura cercana a 37ºC, y unos pocos grados arriba o abajo nos hace entrar en una situación de hipertermia o hipotermia que puede ser mortal. Los humanos hemos conquistado habitats extremos gracias a la tecnología, pero una persona sin ropa sería incapaz de sobrevivir a temperaturas árticas o en las arenas de un desierto cálido. De igual forma bacterias como Escherichia coli tienen su óptimo de crecimiento a 37ºC, aunque puedan sobrevivir y dividirse a temperaturas de 20ºC a 44ºC.

En un trabajo publicado recientemente por el grupo de Jeannette Winter de la Universidad Tecnológica de Munich se ha puesto a prueba la capacidad de resistencia a la temperatura de E. coli, así como la capacidad de adaptarse (evolucionar) de las bacterias a altas temperaturas. Las temperaturas elevadas son reconocidas por la célula como una situación de estrés lo que incrementa inestabilidad genómica y un incremento en la tasa evolutiva de las bacterias que son sometidas a estas condiciones. Por ejemplo, cuando se produce una subida de temperatura repentina, se induce variaciones en la respuesta del sistema altamente conservado de respuesta al calor. En concreto se sintetizan grandes cantidades unas proteínas llamadas “heat shock proteins” (Hsps). Entre las Hsps se encuentran chaperonas, que son proteínas que ayudan al correcto plegamiento de las proteínas recién sintetizadas, evitan la agregación de las proteínas, así como degradan proteínas que estén dañadas. En resumen evitan que las proteínas se desnaturalicen y se inactiven y eliminan aquellas que han sido dañadas, devolviendo sus aminoácidos al “pool” celular, para ser usados en la síntesis de nuevas proteínas. Ambos mecanismos, plegar bien las proteínas y degradar las defectuosas son funciones esenciales para mantener la homeostasis celular. Entre las chaperonas destaca una proteína que se ha llamado GroE y que es esencial ya que se encarga de plegar adecuadamente proteínas que son indispensables para la viabilidad celular.

Estructura tridimensional de chaperonas encargadas de la respuesta al estrés por calor

La temperatura máxima a la cual es capaz de crecer E. coli depende de la cepa y del medio de cultivo, pero como regla general la bacteria es incapaz de crecer a temperaturas por encima de 44º-46ºC. Esto se debe a que temperaturas superiores provocan problemas de permeabilidad de la membrana celular y afectan dramáticamente a la estabilidad de las proteínas. Cuando células de E. coli expresan grandes cantidades de proteínas Hsps éstas las protegen a temperaturas elevadas, sin embargo esta sobreexpresión parece no ser suficiente ya que la viabilidad celular va disminuyendo con el tiempo, por lo que se sospechaba que había algún otro factor implicado.

En el trabajo de la doctora Winter se describe como se cultivaron células de la cepa MG1655 de E. coli durante varios cientos de generaciones y se identificaron células que se habían adaptado a crecer a 48.5ºC, que supera por casi 3ºC el máximo de resistencia a temperatura en E.coli. En este trabajo se demuestra que la adaptación a elevada temperatura se produjo por un aumento en la concentración de proteínas Hsps, así como una sintetasa de tRNA, LysU. Así mismo demostraron que solamente células que poseían una concentración 16 veces superiores de GroE en combinación con LysU podían soportar esas elevadas temperaturas.
Este trabajo muestra como la evolución depende de la adquisión de mutaciones que impliquen un incremento del rendimiento final en el medio donde la célula se encuentra y se une a un buen grupo de evidencias señalando como las células varían genotípicamente para adaptarse a nuevas condiciones ambientales.

Este experimento tiene un doble interés, tanto básico como aplicado. Por una parte se describe un mecanismo nuevo de resistencia a temperaturas elevadas. Y este descubrimiento se ha efectuado dejando a las células evolucionar hacia el nuevo ambiente, dejando que la selección natural actuase. El descubrimiento de este gen que participa en la resistencia a elevadas temperaturas puede permitir desarrollar cepas bacterianas que resistan mejor el calor. ¿Y eso para qué puede ser útil? Y aquí es donde procede la utilidad práctica de este descubrimiento. E. coli es una bacteria que se emplean clásicamente como factoría de producción de sustancias de interés. Esta bacteria tiene un tiempo de duplicación corto, por lo que se obtiene mucha biomasa fácilmente, requiere medios de cultivo fáciles de sintetizar y muy pocas cepas son patógenas. Pero durante la fermentación de esta bacteria, en muchas ocasiones, la temperatura del fermentador sube lo cual pone en riesgo el cultivo bacteriano y obliga a un coste elevado al tener que introducir refrigeración. Contar con cepas más resistentes al calor puede abaratar costes de producción de sustancias, lo que es de gran interés para la industria biotecnológica.

• Referencia: Rudolph et al. (2010) Evolution of Escherichia coli for growth at high temperatures. The Journal of Biological Chemistry. First Published on April 20, 2010, doi: 10.1074/jbc.M110.103374

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