Pyrococcus furioso

Pyrococcus furiosus es una especie modelo de arquea heterótrofa, estrictamente anaeróbica y extremófila. Se clasifica como hipertermófilo porque prospera mejor bajo temperaturas extremadamente altas y se destaca por tener una temperatura de crecimiento óptima de 100 °C (una temperatura que destruiría la mayoría de los organismos vivos). P. furiosus pertenece al género Pyrococcus, que se encuentra más comúnmente en condiciones ambientales extremas de respiraderos hidrotermales. Es uno de los pocos organismos procarióticos que tiene enzimas que contienen tungsteno, un elemento que rara vez se encuentra en las moléculas biológicas.

Pyrococcus furiosus tiene muchas aplicaciones industriales potenciales, debido a sus propiedades termoestables únicas. P. furiosus se utiliza en el proceso de amplificación del ADN mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) debido a su actividad correctora. Utilizando P. furiosus en la amplificación de ADN por PCR en lugar de la ADN polimerasa Taq utilizada tradicionalmente permite un proceso significativamente más preciso. La estabilidad termodinámica de P. furiosus' es útil en la creación de dioles para fines industriales y de laboratorio. Ciertas superóxido dismutasas que se encuentran en P. furiosus se puede introducir en las plantas para aumentar su tolerancia en condiciones ambientalmente estresantes y, en última instancia, su supervivencia.

Pyrococcus furiosus es una arquea estrictamente anaeróbica, heterótrofa y reductora de azufre aislada originalmente de sedimentos calentados en Vulcano, Italia, por Fiala y Stetter. Se caracteriza por su rápido tiempo de duplicación de 37 minutos en condiciones óptimas, lo que significa que cada 37 minutos el número de organismos individuales se multiplica por dos, lo que produce una curva de crecimiento exponencial. Cada organismo está rodeado por una envoltura celular compuesta de glicoproteína llamada capa S. Aparece en su mayoría como cocos regulares, lo que significa que es aproximadamente esférico, de 0,8 μm a 1,5 μm de diámetro con flagelación politrica monopolar.

Una glicoproteína notable en las especies de arqueas constituye la mayor parte de la composición de P. furioso flagelos. Además de usarlos potencialmente para nadar, estos flagelos se observaron en condiciones de laboratorio en uso para aplicaciones únicas, como la formación de conexiones entre células durante la fase de crecimiento estacionario. También se utilizan como conectores similares a cables para adherirse a diversas superficies sólidas, como granos de arena, en el hábitat en el que se descubrió esta especie. Esto puede conducir a la formación de estructuras microcoloniales similares a biopelículas.

P. furiosus crece entre 70 °C (158 °F) y 103 °C (217 °F), con una temperatura óptima de 100 °C (212 °F), y entre pH 5 y 9 (con un óptimo en pH 7). Dado que utiliza la fermentación de carbohidratos, crece bien en extracto de levadura, maltosa, celobiosa, β-glucanos, almidón y fuentes de proteínas (triptona, peptona, caseína y extractos de carne) a través de la vía de Embden-Meyerhoff. Se trata de una gama relativamente amplia de fuentes en comparación con otras arqueas. El crecimiento es muy lento o inexistente en aminoácidos, ácidos orgánicos, alcoholes y la mayoría de los carbohidratos (incluidas la glucosa, la fructosa, la lactosa y la galactosa). Los productos metabólicos de P. furioso son CO2 y H2. La presencia de hidrógeno inhibe gravemente su crecimiento y metabolismo; Sin embargo, este efecto puede evitarse introduciendo azufre en el entorno del organismo. En este caso, el H2S se puede producir a través de sus procesos metabólicos aparentemente con el propósito de desintoxicar o conservar energía, no para producir energía. Mientras que muchos otros hipertermófilos dependen del azufre para crecer, P. furioso no.

P. furiosus también se destaca por un sistema respiratorio inusual e intrigantemente simple, que obtiene energía reduciendo protones a gas hidrógeno y usa esta energía para crear un gradiente electroquímico a través de su membrana celular, impulsando así la síntesis de ATP. Este podría ser un precursor evolutivo muy temprano de los sistemas respiratorios en todos los organismos superiores actuales.

La secuenciación del genoma completo de Pyrococcus furiosus fue completada en 2001 por científicos del Instituto de Biotecnología de la Universidad de Maryland. El equipo de Maryland descubrió que el genoma tiene 1.908 kilobases, incluidos 2.065 marcos de lectura abiertos (ORF) que codifican proteínas. Un estudio realizado en 2005 reveló 17 nuevos ORF específicos de Pyrococcus furiosus que no estaban anotados originalmente, lo que eleva el número de ORF a 2.082.

Una cepa de laboratorio de Pyrococcus furiosus llamada COM1 se usa comúnmente por su "alta plasticidad" y capacidad para absorber ADN extraño, debido a su alta recombinación y actividad de transposones. Tiene 1.571 pares de bases más que el genoma NCBI al que se hace referencia y 10 secuencias de inserción (IS) más. Estos IS han desactivado 13 genes y muchos más están alterados, pero el crecimiento de la cepa aún es comparable al de su cepa original.

Pyrococcus furiosus posee varias alcohol deshidrogenasas (ADH) altamente termoestables: la AdhA de cadena corta, la AdhB que contiene hierro, la AdhC que contiene zinc y más. Cada una de estas ADH depende de NADP y sirve para reponer NADP⁺ utilizando el NADPH producido por la fermentación para reducir los aldehídos a alcoholes. Los aldehídos también son productos de la fermentación y son tóxicos para la célula, por lo que es necesaria su eliminación. P. Los ADH furiosos suelen tener una amplia gama de sustratos de aldehído que pueden usar y también pueden catalizar la reacción inversa (oxidación de alcoholes) usando etanol, 1,3-propanodiol y otros alcoholes como sustrato. Como ocurre con la mayoría de las enzimas de las arqueas, las ADH son sensibles al oxígeno.

Pyrococcus furiosus tiene cinco oxidorreductasas únicas que contienen tungsteno que forman parte de su vía glicolítica independiente de NAD(P)H. Estas enzimas funcionan de manera óptima por encima de los 90 °C. El primero en descubrirse fue la aldehído ferredoxina oxidorreductasa, o AOR, que utiliza tungsteno, azufre y hierro para catalizar la oxidación de aldehídos y reducir la ferredoxina (siendo éste el portador de electrones en lugar de NAD(P)H). Como este fue el primero, se dice que todas las oxidorreductasas que contienen tungsteno son parte de la familia AOR. La siguiente oxidorreductasa descubierta fue la gliceraldehído-3-fosfato ferredoxina oxidorreductasa, o GAPOR, que utiliza tungsteno y hierro para catalizar la oxidación específicamente de gliceraldehído-3-fosfato. GAPOR sólo funciona en condiciones anaeróbicas, como ocurre con muchas enzimas en P. furioso. Otra oxidorreductasa es la formaldehído ferredoxina oxidorreductasa, o FOR, que cataliza la oxidación de aldehídos en ácidos carboxílicos. Esta enzima utiliza cuatro tipos de cofactores: tungsteno, hierro, azufre y calcio. La siguiente oxidorreductasa, WOR4, no ayuda a oxidar los aldehídos, sino que tiene un papel en la reducción del azufre elemental (S⁰) a H₂S. Utiliza los mismos cofactores que FOR y solo se encuentra en células de P. furiosus que se cultivan en presencia de azufre elemental. La quinta y última oxidorreductasa se denomina WOR5 y tiene una amplia especificidad por especies de aldehídos aromáticos y alifáticos.

Una especie de oxidorreductasa en P. furiosus que no contiene tungsteno es la piruvato ferredoxina oxidorreductasa, o POR, que cataliza el paso final de la vía glucolítica. Es posible que POR sea un antepasado de las piruvato oxidorreductasas mesófilas. También existe la indolpiruvato ferredoxina oxidorreductasa, o IOR, que utiliza hierro y azufre para catalizar la "descarboxilación oxidativa de los arilpiruvatos".

Se descubrió una ADN polimerasa en P. furiosus que se pensaba que no estaba relacionado con otras ADN polimerasas conocidas, ya que no se encontró ninguna homología de secuencia significativa entre sus dos proteínas y las de otras ADN polimerasas conocidas. Esta ADN polimerasa tiene fuertes estructuras de 3'a 5' actividad exonucleolítica y una preferencia de plantilla-cebador que es característica de una ADN polimerasa replicativa, lo que lleva a los científicos a creer que esta enzima puede ser la ADN polimerasa replicativa de P. furioso. Desde entonces se ha incluido en la familia B de polimerasas, la misma familia que la ADN polimerasa II. También se ha resuelto su estructura, que parece bastante típica de la polimerasa B.

Dado que las enzimas de P. furiosus son extremadamente termoestables, la ADN polimerasa de P. furiosus (también conocida como ADN polimerasa Pfu) se puede utilizar en el proceso de amplificación de ADN por reacción en cadena de la polimerasa (PCR). El proceso de PCR debe utilizar una ADN polimerasa termoestable para la amplificación in vitro automatizada y la ADN polimerasa Taq utilizada originalmente. Sin embargo, dado que la ADN polimerasa Taq purificada carece de actividad exonucleasa (corrección), no puede eliminar los nucleótidos no coincidentes. Los investigadores descubrieron a principios de la década de 1990 que la ADN polimerasa Pfu de P. furiosus en realidad posee una actividad exonucleasa de 3' a 5' necesaria que permite la eliminación de errores. Las pruebas posteriores que utilizaron la ADN polimerasa Pfu en el proceso de PCR revelaron una mejora de más de diez veces con respecto a la precisión del uso de la ADN polimerasa Taq.

Una aplicación práctica de P. furiosus se dedica a la producción de dioles para diversos procesos industriales. Quizás sea posible utilizar las enzimas de P. furiosus para aplicaciones en industrias como la alimentaria, farmacéutica y química fina en las que las alcohol deshidrogenasas son necesarias en la producción de dioles enantio y diastereoisómeros puros. Enzimas de hipertermófilos como P. furiosos pueden funcionar bien en procesos de laboratorio porque son relativamente resistentes: generalmente funcionan bien a altas temperaturas y altas presiones, así como en altas concentraciones de productos químicos.

Para que las enzimas de origen natural sean útiles en el laboratorio, a menudo es necesario alterar su composición genética. De lo contrario, las enzimas naturales pueden no ser eficientes en un procedimiento inducido artificialmente. Aunque las enzimas de P. furiosus funcionan de manera óptima a altas temperaturas, es posible que los científicos no quieran necesariamente realizar un procedimiento a 100 °C (212 °F). En consecuencia, en este caso, la enzima específica AdhA se tomó de P. furiosus y sometido a diversas mutaciones en un laboratorio para obtener una alcohol deshidrogenasa adecuada para su uso en procesos artificiales. Esto permitió a los científicos obtener una enzima mutante que podría funcionar eficientemente a temperaturas más bajas y mantener la productividad.

La expresión de un determinado gen que se encuentra en P. furiosus en las plantas también puede hacerlas más duraderas al aumentar su tolerancia al calor. En respuesta al estrés ambiental, como la exposición al calor, las plantas producen especies reactivas de oxígeno que pueden provocar la muerte celular. Si se eliminan estos radicales libres, se puede retrasar la muerte celular. Las enzimas de las plantas llamadas superóxido dismutasas eliminan los radicales aniónicos superóxido de las células, pero aumentar la cantidad y la actividad de estas enzimas es difícil y no es la forma más eficiente de mejorar la durabilidad de las plantas.

Introduciendo las superóxido reductasas de P. furiosus en las plantas, los niveles de O₂ pueden reducirse rápidamente. Los científicos probaron este método utilizando la planta Arabidopsis thaliana. Como resultado de este procedimiento, la muerte celular en las plantas ocurre con menos frecuencia, lo que resulta en una reducción en la severidad de las respuestas al estrés ambiental. Esto mejora la supervivencia de las plantas, haciéndolas más resistentes al estrés lumínico, químico y térmico.

Este estudio podría usarse potencialmente como punto de partida para crear plantas que podrían sobrevivir en climas más extremos en otros planetas como Marte. Al introducir más enzimas de extremófilos como P. furiosus en otras especies de plantas, es posible crear especies increíblemente resistentes.

Al comparar P. furiosus con una especie relacionada de archaea, Pyrococcus abyssi, los científicos han tratado de determinar la correlación entre ciertos aminoácidos y la afinidad por ciertas presiones en diferentes especies. P. furiosus no es barófilo, mientras que P. abyssi es, lo que significa que funciona de manera óptima a presiones muy altas. El uso de dos especies de arqueas hipertermófilas disminuye la posibilidad de desviaciones relacionadas con la temperatura del ambiente, reduciendo esencialmente las variables en el diseño experimental.

Además de proporcionar información sobre la barofilicidad de ciertos aminoácidos, el experimento también proporcionó información valiosa sobre el origen del código genético y sus influencias organizativas. Se descubrió que la mayoría de los aminoácidos que determinaban la barofilicidad también eran importantes en la organización del código genético. También se descubrió que los aminoácidos más polares y los aminoácidos más pequeños tenían más probabilidades de ser barófilos. A través de la comparación de estas dos arqueas, se llegó a la conclusión de que el código genético probablemente estaba estructurado bajo una alta presión hidrostática, y que la presión hidrostática era un factor más influyente en la determinación del código genético que la temperatura.

Pyrococcus furiosus fue aislado originalmente anaeróbicamente de sedimentos marinos geotérmicos con temperaturas entre 90 °C (194 °F) y 100 °C (212 °F) recolectados en la playa de Porto Levante, Isla Vulcano , Italia. Fue descrito por primera vez por Karl Stetter de la Universidad de Ratisbona en Alemania y su colega Gerhard Fiala. Pyrococcus furiosus en realidad originó un nuevo género de arqueas con su descubrimiento relativamente reciente en 1986.

El nombre Pyrococcus significa &# 34;bola de fuego" en griego, para referirse a la forma redonda del extremófilo y su capacidad de crecer a temperaturas de alrededor de 100 grados centígrados. El nombre de la especie furiosus significa 'corriendo' en latín, y se refiere al tiempo de duplicación y natación rápida del extremófilo.

• McTernan, Patrick M; Chandrayan, Sanjeev K; Wu, Chang-Hao; Vaccaro, Brian J; Lancaster, W. Andrew; Yang, Qingyuan; Fu, Dax; Hura, Greg L; Tainer, John A; Adams, Michael W. W (2014). "Intact Functional Fourteen-subunit Respiratory Membrane-bound [Ni Fe]-Hydrogenase Complex of the Hyperthermophilic Archaeon Pyrococcus furiosus". Journal of Biological Chemistry. 289 (28): 19364–72. doi:10.1074/jbc.M114.567255. PMC 4094048. PMID 24860091.
• Dong, Qing; Yan, Xufan; Zheng, Minhui; Yang, Ziwen (2014). "Caracterización de una β-galactosidase extremadamente termostable pero frío-adaptiva de la arqueología hipertermofílica Pyrococcus furiosus para su uso como agregación recombinante para la degradación de lactosa por lotes a alta temperatura". Journal of Bioscience and Bioengineering. 117 (6): 706–10. doi:10.1016/j.jbiosc.2013.12.002. PMID 24462527.
• Elshawadfy, Ashraf M; Keith, Brian J; Ee Ooi, H'Ng; Kinsman, Thomas; Heslop, Pauline; Connolly, Bernard A (2014). "Híbridos de polimerasa DNA derivados de las enzimas familiares-B de Pyrococcus furiosus y Thermococcus kodakarensis: Mejorar el rendimiento en la reacción de la cadena de polimerasa". Fronteras en Microbiología. 5: 224. doi:10.3389/fmicb.2014.00224. PMC 4034419. PMID 24904539.
• Herzog, B; Wirth, R (2012). "Swimming Behavior of Selected Species of Archaea". Microbiología aplicada y ambiental. 78 (6): 1670–4. Código:2012ApEnM..78.1670H. doi:10.1128/AEM.06723-11. PMC 3298134. PMID 22247169.

• Tipo de tensión de Pyrococcus furiosus en BacDive - la Metadatabase de Diversidad Bacterial
• KEGG Genoma: Pyrococcus furiosus