Halobacteria

Halobacterium (abreviatura común Hbt.) es un género de la familia Halobacteriaceae.

El género Halobacterium ("sal" o "bacteria oceánica") está formado por varias especies de Archaea con un metabolismo aeróbico que requiere un entorno con un alto concentración de sal; muchas de sus proteínas no funcionarán en ambientes bajos en sal. Crecen sobre aminoácidos en sus condiciones aeróbicas. Sus paredes celulares también son bastante diferentes a las de las bacterias, ya que las membranas lipoproteicas ordinarias fallan en altas concentraciones de sal. En forma, pueden ser bastones o cocos, y en color, rojo o violeta. Se reproducen mediante fisión binaria (por constricción) y son móviles. Halobacterium crece mejor en un ambiente de 42 °C. El genoma de una especie de Halobacterium no especificada, secuenciado por Shiladitya DasSarma, comprende 2.571.010 pb (pares de bases) de ADN compilados en tres hebras circulares: un cromosoma grande con 2.014.239 pb y dos más pequeños con 191.346 y 365.425. pb. Esta especie, denominada Halobacterium sp. NRC-1 se ha utilizado ampliamente para análisis posgenómicos. Las especies de Halobacterium se pueden encontrar en el Gran Lago Salado, el Mar Muerto, el Lago Magadi y cualquier otra agua con alta concentración de sal. Las especies de Halobacterium moradas deben su color a la bacteriorrodopsina, una proteína sensible a la luz que proporciona energía química a la célula mediante el uso de la luz solar para bombear protones fuera de la célula. El gradiente de protones resultante a través de la membrana celular se utiliza para impulsar la síntesis del portador de energía ATP. Así, cuando estos protones regresan, se utilizan en la síntesis de ATP (este flujo de protones puede emularse con una disminución del pH fuera de la célula, provocando un flujo de iones H+). La proteína bacteriorrodopsina es químicamente muy similar al pigmento detector de luz rodopsina, que se encuentra en la retina de los vertebrados.

Especies de Halobacterium

Filogenia

La taxonomía actualmente aceptada se basa en la Lista de nombres procarióticos con vigencia en la nomenclatura (LPSN) y el Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI).

Sinónimos

• Halobacterium cutirubrum ■ Halobacterium salinarum
• Halobacterium denitrificans ■ Haloferax denitrificans
• Halobacterium distributum ■ Halorubrum distributum
• Halobacterium halobium ■ Halobacterium salinarum
• Halobacterium lacusprofundi ■ Halorubrum lacusprofundi
• Halobacterium mediterranei ■ Haloferax mediterranei
• Halobacterium pharaonis ■ Natronomonas pharaonis
• Halobacterium piscisalsi ■ Halobacterium salinarum
• Halobacterium saccharovorum ■ Halorubrum saccharovorum
• Halobacterium sodomense ■ Halorubrum sodomense
• Halobacterium trapanicum ■ Halorubrum trapanicum
• Halobacterium vallismortis ■ Haloarcula vallismortis
• Halobacterium volcanii ■ Haloferax volcanii

Estructura del genoma

El genoma de Halobacterium NRC-1 tiene 2.571.010 pb compilados en tres replicones circulares. Más concretamente, está dividido en un cromosoma grande con 2.014.239 pb y dos pequeños replicones pNRC100 (191.346 pb) y pNRC200 (365.425 pb). Si bien son mucho más pequeños que el cromosoma grande, los dos plásmidos representan la mayoría de las 91 secuencias de inserción e incluyen genes para una ADN polimerasa, siete factores de transcripción, genes para la captación de potasio y fosfato, y la división celular. Se descubrió que el genoma contenía un alto contenido de G+C: 67,9% en el cromosoma grande y 57,9% y 59,2% en los dos plásmidos. El genoma también contenía 91 elementos de secuencia de inserción que constituyen 12 familias, incluidas 29 en pNRC100, 40 en pNRC200 y 22 en el cromosoma grande. Esto ayuda a explicar la plasticidad genética que se ha observado en Halobacterium. De las arqueas, las halobacterias se consideran involucradas en la genética más lateral (transferencia de genes entre dominios) y una prueba de que esta transferencia tiene lugar.

Estructura celular y metabolismo

Halobacterium tienen forma de bastón y están envueltas por una única membrana bicapa lipídica rodeada por una capa S formada a partir de la glicoproteína de la superficie celular. Crecen sobre aminoácidos en condiciones aeróbicas. Aunque Halobacterium NRC-1 contiene genes para la degradación de la glucosa, así como genes para enzimas de la vía de oxidación de los ácidos grasos, no parece capaz de utilizarlos como fuente de energía. Aunque el citoplasma conserva un equilibrio osmótico con el ambiente hipersalino, la célula mantiene una alta concentración de potasio utilizando muchos transportadores activos.

Muchas especies de Halobacterium poseen orgánulos proteicos llamados vesículas de gas.

Ecología

Las halobacterias se pueden encontrar en lagos altamente salinos como el Gran Lago Salado, el Mar Muerto y el Lago Magadi. Halobacterium se puede identificar en cuerpos de agua por el pigmento detector de luz bacteriorrodopsina, que no solo proporciona energía química al arqueón, sino que también aumenta su tono rojizo. Se ha observado una temperatura óptima para el crecimiento a 37 °C.

Halobacterium puede ser un candidato a una forma de vida presente en Marte. Uno de los problemas asociados con la supervivencia en Marte es la destructiva luz ultravioleta. Estos microorganismos desarrollan una fina costra de sal que puede moderar parte de la luz ultravioleta. El cloruro de sodio es la sal más común y las sales de cloruro son opacas a los rayos ultravioleta de onda corta. Su pigmento fotosintético, la bacteriorrodopsina, es en realidad opaco al ultravioleta de longitud de onda más larga (su color rojo). Además, Halobacterium produce pigmentos llamados bacterioruberinas que se cree que protegen a las células del daño causado por la luz ultravioleta. El obstáculo que deben superar es poder crecer a baja temperatura durante un tiempo presumiblemente corto en el que un charco de agua podría estar líquido.

Aplicaciones

Industria alimentaria

Existe potencial para que las especies de Halobacterium se utilicen en la industria alimentaria. Algunos ejemplos de usos pueden incluir la producción de betacaroteno, un pigmento de las bacterias halófilas que contribuye a su coloración roja y que se utiliza en la industria alimentaria como colorante alimentario natural. Los halófilos también producen enzimas degradativas como lipasas, amilasas, proteasas y xilanasas que se utilizan en diversos métodos de procesamiento de alimentos. Las aplicaciones notables de estas enzimas incluyen mejorar el proceso de fermentación de alimentos salados, mejorar la calidad de la masa para hornear panes y contribuir a la producción de café.

Biorremediación

Muchas especies de bacterias halófilas producen exopolisacáridos (EPS) que se utilizan industrialmente como agentes de biorremediación. Muchas bacterias halófilas también liberan biosurfactantes y estos compuestos anfifílicos se han utilizado para la remediación del suelo. Muchos halófilos son altamente tolerantes a los metales pesados, lo que los hace potencialmente útiles en la biorremediación de compuestos xenobióticos y metales pesados que se liberan al medio ambiente a partir de la minería y el revestimiento de metales. Los halófilos contribuyen a la biorremediación de contaminantes al convertir los xenobióticos en compuestos menos tóxicos. Se ha demostrado que algunas especies de Halobacterium son eficaces en la biorremediación de contaminantes, incluidos los hidrocarburos alifáticos, como los que se encuentran en el petróleo crudo; e hidrocarburos aromáticos como el ácido 4-hidroxibenzoico, un contaminante en algunas escorrentías industriales de alta salinidad.

Productos farmacéuticos

Algunas cepas de Halobacterium, incluido Halobacterium salinarum, se están explorando para aplicaciones médicas de sus mecanismos de resistencia a la radiación. Bacterioruberina es un pigmento carotenoide encontrado en Halobacterium que disminuye la sensibilidad de la bacteria a la radiación γ-radiación y UV.

Se ha demostrado en estudios knockout que la ausencia de bacterioruberina aumenta la sensibilidad de la bacteria a los agentes oxidativos que dañan el ADN. El peróxido de hidrógeno, por ejemplo, reacciona con la bacteroruberina, lo que impide la producción de especies reactivas de oxígeno y, por tanto, protege a la bacteria al reducir la capacidad oxidativa del agente que daña el ADN.

H. salinarum también exhibe altas concentraciones intracelulares de cloruro de potasio que también se ha demostrado que confiere resistencia a la radiación. Halobacterium también se están explorando para las aplicaciones farmacéuticas de los compuestos bioactivos que producen, incluidos agentes anticancerígenos, biosurfactantes antimicrobianos y metabolitos antimicrobianos.

Importancia y aplicaciones

Las halobacterias son microorganismos halófilos que actualmente están siendo estudiados para sus usos en investigación científica y biotecnología. Por ejemplo, la secuenciación genómica de la especie NRC-1 de Halobacterium reveló su uso de ARN polimerasa II de tipo eucariótico y maquinaria de traducción relacionada con Escherichia coli y otras bacterias gramnegativas. bacterias. Además, poseen genes para la replicación, reparación y recombinación del ADN similares a los presentes en bacteriófagos, levaduras y bacterias. La capacidad de esta especie de Halobacterium para cultivarse y modificarse genéticamente fácilmente permite que se utilice como organismo modelo en estudios biológicos. Además, Halobacterium NRC-1 también se ha empleado como vector potencial para administrar vacunas. En particular, producen vesículas de gas que pueden modificarse genéticamente para mostrar epítopos específicos. Además, las vesículas de gas demuestran la capacidad de funcionar como adyuvantes naturales para ayudar a provocar respuestas inmunitarias más fuertes. Debido a la necesidad de las halobacterias de un entorno con alto contenido de sal, la preparación de estas vesículas de gas es económica y eficiente y solo necesita agua del grifo para su aislamiento.

Las halobacterias también contienen una proteína llamada bacteriorrodopsina, que son bombas de protones impulsadas por luz que se encuentran en la membrana celular. Aunque la mayoría de las proteínas de los halófilos necesitan altas concentraciones de sal para su estructura y funcionamiento adecuados, esta proteína ha demostrado potencial para usarse con fines biotecnológicos debido a su estabilidad incluso fuera de estos ambientes extremos. Las bacteriorrodopsinas aisladas de Halobacterium salinarum han sido especialmente estudiadas por sus aplicaciones en electrónica y óptica. En particular, las bacteriorrodopsinas se han utilizado en almacenamiento holográfico, conmutación óptica, detección de movimiento y nanotecnología. Aunque se han presentado numerosos usos de esta proteína, todavía no se han establecido aplicaciones comerciales a gran escala en este momento.

Recombinación y apareamiento

Irradiación UV de Halobacterium sp. La cepa NRC-1 induce varios productos genéticos empleados en recombinación homóloga. Por ejemplo, un homólogo del gen rad51/recA, que desempeña un papel clave en la recombinación, se induce siete veces mediante UV. La recombinación homóloga puede rescatar horquillas de replicación estancadas y/o facilitar la reparación recombinacional del daño del ADN. En su hábitat natural, la recombinación homóloga probablemente sea inducida por la irradiación ultravioleta de la luz solar.

Halobacterium volcanii tiene un sistema de apareamiento distintivo en el que los puentes citoplasmáticos entre las células parecen usarse para la transferencia de ADN de una célula a otra. En las poblaciones silvestres de Halorubrum, el intercambio y la recombinación genética ocurren con frecuencia. Este intercambio puede ser una forma primitiva de interacción sexual, similar a la transformación bacteriana mejor estudiada, que también es un proceso de transferencia de ADN entre células que conduce a la reparación recombinacional homóloga del daño del ADN.