27 de febrero: Genoma de ejemplo: Bacterial growth at −15 °C; molecular insights from the permafrost bacterium Planococcus halocryophilus Or1
Mykytczuk, N. C., Foote, S. J., Omelon, C. R., Southam, G., Greer, C. W., & Whyte, L. G. (2013). Bacterial growth at −15 °C; molecular insights from the permafrost bacterium Planococcus halocryophilus Or1. The ISME Journal, 1–16. doi:10.1038/ismej.2013.8
Planococcus halocryophilus strain Or1, isolated from high Arctic permafrost, grows and divides at ~15 °C, the lowest temperature demonstrated to date, and is
English: The image was taken in High Arctic from a helicopter. It shows the crack pattern in permafrost. (Photo credit: Wikipedia)
metabolically active at ~25 1C in frozen permafrost microcosms. To understand how P. halocryophilus Or1 remains active under the subzero and osmotically dynamic conditions that characterize its native permafrost habitat, weinvestigated the genome, cell physiology and transcriptomes of growth at ~15 °C and 18% NaCl compared with optimal (25 °C) temperatures. Subzero growth coincides with unusual cell envelope features of encrustations surrounding cells, while the cytoplasmic membrane is significantly remodeled favouring a higher ratio of saturated to branched fatty acids. Analyses of the 3.4Mbp genome revealed that a suite of cold and osmotic-specific adaptive mechanisms are present as well as an amino acid distribution favouring increased flexibility of proteins. Genomic redundancy within 17% of the genome could enable P. halocryophilus Or1 to exploit isozyme exchange to maintain growth under stress, including multiple copies of osmolyte uptake genes (Opu and Pro genes). Isozyme exchange was observed between the transcriptome data sets, with selective upregulation of multi-copy genes involved in cell division, fatty acid synthesis, solute binding, oxidative stress response and transcriptional regulation. The combination of protein flexibility, resource efficiency, genomic plasticity and synergistic adaptation likely compensate against osmotic and cold stresses. These results suggest that non-spore forming P. halocryophilus Or1 is specifically suited for activegrowth in its Arctic permafrost habitat (ambient temp. ~16 °C), indicating that such cryoenvironments harbor a more active microbial ecosystem than previously thought.
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Este es un artículo sumamente interesante que nos habla sobre las características fisiológicas, adaptaciones moleculares y genéticas que le permiten a una bacteria sobrevivir y mantenerse metabolicamente activa a temperaturas bajo cero. En el grupo de trabajo de Mykytczuk se dedicaron a buscar la bacteria más termo y osmotolerante, bajo este esquema se caracterizaron más de 200 aislados provenientes del ártico canadiense. Entre los aislados se encontró la primera cepa del genero Planococus, aislada del permafrost de dicho lugar, la cepa se denominó Planocuccus halocryophilus Or1, la cual se describe en este trabajo. Realizaron un estudio muy completo donde combinaron acercamientos de microbiología clásicos junto con ayuda de transcriptómica y genómica para entender como esta bacteria puede permanecer metabolicamente activa bajo condiciones de temperatura y salinidad extremas en el permafrost. Analizaron el crecimiento, actividad y viabilidad de las células, así como ensayos de radio respiración en microcosmos, además analizaron los perfiles de ácidos grasos celulares. Por otra parte, observaron sus características morfológicas con ayuda de un microscopio electrónico de barrido y finalmente se secuencio y anoto el genoma de la cepa. El análisis de los resultados reveló un aumento de la abundancia de ácidos grasos saturados en lugar de ácidos grasos ramificadoS como se observa en otras bacterias psicrofilas. Por otra parte, Planococus tiene una distribución de aminoácidos que incrementa la flexibilidad de sus proteinas, es decir tiene más proteínas adaptadas al frío que contienen menos prolina, menos residuos ácidos, y alifáticos. Por otra parte, el genoma de P. halocryophilus sugiere que esta bacteria, está bien adaptada para la absorción de solutos, y codifica múltiples copias de genes de captación de osmolitos y respuesta al estrés, ademas de que también se observa en su genoma una gran gran plasticides para explotar el intercambio de isoenzimas y mantener su crecimiento. Siendo así que la caracterización de las adaptaciones de P. halocryophilus no solo ayuda a comprender el metabolismo bacteriano a bajas temperaturas, si no que también el entendimiento de ciertas enzimas que trabajen enzimas a bajo cero grados, puede tener interés industrial o biotecnológico. Finalmente el estudio de las adaptaciones de P. halocryophilus puede ser de interés astrobiologico, ya parece ser que lo extremo define los limites de la vida en la tierra y al definir estos limites podemos entender algo sobre las posibilidades de vida en otros planetas
Este trabajo tuvo el objetivo de estudiar la capacidad de crecimiento de Planococcus halocryophillus Or1 a temperaturas por debajo de los -15°C.
Se abordó este fenómeno por medio de la caracterización de la fisiología, la respiración subcero?, y carácterísticas adaptativas del genoma a climas fríos, así como el fenómeno del estrés osmótico.
Para los organismos es todo un reto lograr sobrevivir en condiciones tan extremas; de hecho estas condiciones son llamadas tradicionalmente, factores limitantes, cuando no se puede rebasar cierto umbral para llevar a cabo las funciones básicas y permanecer vivo.
Aunque parezca raro, existen hábitats en los que este tipo de organismo extremos son comunes: los permafrost o cryoambientes que albergan diversas comunidades microbianas a -10 – -20°C en las regiones árticas.
En este caso se muestreo el ártico Canadiense. La parte de los materiales y métodos usados en el trabajo describe varias de las técnicas que se han discutido en los últimos artículos de la clase, como las plataformas de secuenciación y los ensambladores.
En el genoma se encontraron sitios específicos adaptativos a condiciones osmóticas y frías, así como una distribución de aminoácidos que favorece el incremento de la flexibilidad de las proteínas. También hay una redundancia genómica relacionada con las isozimas involucradas en la división celular, la síntesis de ácidos grasos, respuesta al estrés oxidativo y regulación transcripcional.
En general, la capacidad de crecimiento de Planococcus halocryophillus Or1 en condiciones criogénicas, es el resultado de la combinación de la flexibilidad de las proteínas, la eficiencia para obtener recursos, la plasticidad genómica, todo lo cual conduce a una sinergia adaptativa para compensar el estrés por frío y por ósmosis. Además fueron encontradas varias proteínas chaperones, de “shock” y mecanismos de regulación y reparación que son características importantes para la adaptación al estrés y al frío. Se describe que una respuesta específica al frío se da mediante el incremento de la expresión de genes que codifican para procesos involucrados en el metabolismo energético (ciclo de krebs, oxidoreductasas); de esta forma se contrarresta el hecho de que el frío inhibe a la mayoría de estas enzimas.
Prácticamente para cada una de las principales funciones (por ejemplo, la respuesta a la osmosis, síntesis de lípidos, síntesis de pared celular, etc.) se describen los mecanismos, genes, proteínas y enzimas que regulan los procesos y que hacen posible el crecimiento de estos microorganismos. Finalmente, la importancia de este tipo de estudios radica en las analogías que se puedan encontrar en hábitats extraterrestres.
A través de este artículo se ha podido apreciar el uso de algunas de las diferentes herramientas de las que ya hemos leido para el análisis de secuencias y metagenomas. En particular, la integración de la información resultante del estudio de la respuesta fisiológica a las condiciones de estrés presentes en el medio natural de Planococcus halocryophilus Or1 (al estar en permafrost, las bajas temperaturas y la baja disponibilidad de agua se consideran factores de estrés claves), así como la información resultante de la secuenciación, identificación de genes y asignación de función y el análisis de los cambios en la expresión (a través de la transcriptómica).
El análisis del crecimiento e identificación de actividad metabólica da pie a definir las condiciones límites para el estudio del comportamiento de la bacteria ante estrés por frío y por salinidad (asociado al bajo aw), el estudio de los ácidos grasis presentes en membrana y modificaciones que ocurren estructuralmente (microscopía) también contribuyen a descifrar qué tipo de respuesta adaptativa se está presentanto para tratar de inferir que mecanismos moleculares se están presentando. De esta manera se pueden ir formulando las posibles rutas metabólicas que se activan o que disminuyen, las probables enzimas que están siendo activas para iniciar y mantener la respuesta ante el estrés, etc., para así poder definir y enfocarse mejor en el tipo de genes que se van a buscar y cuya expresión se va a censar.
El objetivo del trabajo es investigar la capacidad de crecimiento de P. halocryophilus Or1 a condiciones de temperatura menores a -15°C y poder apreciar el tipo de adaptación que requiere para ello manteniendo actividad y posibles vínculos con la capacidad para desarrollarse en este ambiente con baja disponibilidad de agua.
Con sus resultados dan soporte a la hipótesis de que las bacterias criófilas de ambiente terrestre deben adaptarse igualmente a temperaturas frías como a cálidas (esta bacterias puede crecer y permanecer activa en el rango de -15 a 25°C); además de adaptarse a la dinámica de concentración de solutos. También se puede apreciar que muchas proteínas de respuesta a estrés son comunes para ambos factores lo que puede generar protección cruzada. Gran parte de esta adaptación exitosa se debe pues a la plasticidad genómica al tener un amplio repertorio de genes que codifican, por ejemplo, para diferentes isoenzimas.
Antecedentes
Las menores temperaturas de crecimiento y metabolismo bacteriano hasta ahora reportadas son -12 y -32 °C respectivamente. Hay muy pocas publicaciones sobre los genomas de este tipo de bacterias o sobre sus mecanismos de adaptación a fríos extremos pero en general se sabe que estos genomas criofilos presentan información necesaria para sintetizar chaperonas, para aumentar la fluidez de la membrana, para captar nutrientes eficientemente, etc.
Qué hicieron
El objetivo del trabajo era evaluar la capacidad de crecimiento de P. halocryophilus Or1 hasta temperaturas de -15°C a través de la caracterización de su fisiología, respiración, rasgos genómicos de adaptación al frío (-15°C) y la respuesta de la bacteria a estrés osmótico (18% NaCl).
Qué encontraron
Los tiempos de generación de P. halocryophilus son parecidos a los de otras bacterias de hábitats similares (1 hora a 25°C y de 40 a 50 días a -10 y -15 °C). Al crecerla en frío encontraron que cambia su composición de ácidos grasos y principlalmente sintetiza ácidos grasos saturados, lo cual no es consistente con el mecanismo común de regulación de fluidez de la membrana. Contrariamente, al crecerla en alta concentración de sal a temperatura óptima la bacteria favorece la acumulación de ácidos grasos no saturados. Morfológicamente, las células en condiciones óptimas presentan una envoltura celular lisa mientras que las crecidas a -15°C tienen una envoltura muy irregular. Su genoma fue secuenciado por pirosecuenciación 454 y encontraron que la mayoría de los genes no tienen función conocida. De las particularidades relacionadas a la adaptación al frío encontraron varias chaperonas, proteínas de shock y mecanismos de reparación y que las únicas proteínas vivas a -15°C son las de la cadena respiratoria (ATP sintasa y COX)
Qué concluyen
El estudio de extremófilos como P. halocryophilus nos da una idea de los mecanismos moleculares de adaptación a ambientes extremos, en este caso de temperaturas menores a 0 grados, y también es una buena aproximación para entender la fisiología de este tipo de células. Finalmente, los autores encuentran que aunque varios procesos parecen ser similares entre P. halocryophilus y otros extremófilos, hay algunos que son muy diferentes, como el mecanismo para aumentar la fluidez de la membrana.
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Bacterial growth at -15°C; molecular insights from the permafrost bacterium Planococcus halocryophillus Or1 Mykytczuk, N. C., Foote, S. J., Omelon, C. R., Southam, G., Greer, C. W., & Whyte, L. G. (2013). Bacterial growth at −15 °C; molecular insights from the permafrost bacterium Planococcus halocryophilus Or1. The ISME Journal, 1–16. doi:10.1038/ismej.2013.8
La vida al parecer no conoce límites para florecer. Se presenta en ambientes muy extremos como las trincheras hidrotermales del fondo del mar, en lagunas de desecación, con condiciones ambientales muy extremas. En este artículo se describe las adaptaciones de una bacteria del permafrost que es metabólicamente activa a -15°C, Planococcus halocryophilus. Se llevo a cabo el estudio genómico de esta bacteria., así como el análisis transcriptómico, del perfil de ácidos grasos, la tasa de crecimiento y de microscopia. Es un artículo muy completo donde podemos apreciar que hay actividad biológica de esta bacteria a tan baja temperatura, tiene isoenzimas y proteínas que se expresan solo en estas condiciones confiriéndole ciertas adaptaciones a uno de los medioambientes más inhóspitos del planeta.
Se han encontrado organismos que pueden sobrevivir a bajas temperaturas a pesar de las limitantes como la obtención de agua liquida para recuperar recursos y crecer. Se ha visto a demás que las bacterias asociadas a este tipo de ambientes también son halotolerantes. Por lo que en este trabajo se busco hacer un análisis genómico para determinar cuales eras las adaptaciones que se tienen para este tipo de ambientes, utilizando como modelo a Planococcus halocryophilus Or1.
El crecimiento de esta bacteria se ve afectado con la temperatura. A 25 ºC se divide en una hora, mientras que ha -15 ºC tarda entre 40 y 50 días. A esta ultima temperatura se detectaron 105 UFC contra 108 UFC encontradas en la temperatura optima. Si embargo a pesar de que no se pudo demostrar el crecimiento a temperaturas más bajas si se pudo observar un metabolismo activo. A diferencia de otras bacterias que habitan en ambientes sub-cero estas bacterias mantenían la fluidez de sus membranas aumentando la cantidad de ácidos grasos saturados. Por lo que a pesar del estrés por temperatura Planococcus halocryophilus Or1 sigue teniendo un metabolismo activo, no guardándose a manera de esporas.
Para el análisis genómico se hizo un consenso entre dos corridas una hecha en 454 y la otra en illumina. Diferentes terminadores de la transcripción, sitios de unión al ribosoma y factores sigma parecen estar involucrados en una señal alternativa de la transcripción así como muchas proteínas Cold Shock. Cuenta también con muchas catalasas, antioxidantes y superoxido dismustasas para contrarrestar el estrés oxidativo. Su genoma sugiere que Planococcus halocryophilus Or1 esta capacitada para poder obtener solutos. En relación a esto se encontró un alto número de copias de transportadores de osmolitos, lo que habla de la capacidad halotolerante de la especie.
Se hizo un análisis transcriptomico a diferentes temperaturas y salinidad. La mayor parte de las funciones decrecieron con la disminución de la temperatura y aumentaron las rutas relacionadas con la transcripción y modificaciones de la pared.
Por lo que este articulo es un buen ejemplo de cómo se pueden aplicar las herramientas genómicas.
En este artículo lo que se hizo fue analizar en distintos niveles a la bacteria psicrofila Planococcus halocryophilus Or1, estudiando desde características relacionadas con su tasa de crecimiento hasta su secuencia y transcriptoma. De este trabajo nos enfocaremos primordialmente en los análisis de su secuencia y del transcriptoma.
Como se ha mencionado a lo largo de diversos artículos revisados con anterioridad, una de las mejores formas para el momento de realizar la secuenciación de un genoma, y sobre todo al momento de su ensamble, es combinar distintas plataformas de secuenciación, y en este caso se hizo la combinación de la pyrosecuenciación del 454 y la de extremos pareados de Illumina. Después de realizar en ensamble se terminó con una secuencia de aproximadamente 3.4 Mbp en 35 contigs. En lo que respecta al transcriptoma los autores se enfocaron en tres condiciones: crecimiento tanto a -15 ºC como a 25 ºC, así como a 25 ºC junto con una alta salinidad.
Al analizar esta información se encontró que el 85% del genoma es codificante par 3548 proteínas, además de presentar 12 transposasas o secuencias de inserción. Estas secuencias, comentan más adelante, pueden estar involucradas en un reordenamiento del genoma que podría estar proporcionando cierta ventaja adaptativa a la bacteria, pues en otros organismos psicrófilos se ha observado una alta abundancia de elementos IS.
A nivel global, a diferencia de otros organismos, se encontró que Planococcus halocryophilus Or1 presenta una adaptación significativa solo para tres de los cinco indicadores utilizados comúnmente para ver adaptaciones al frio, lo cual podría estar relacionado con el rango de temperaturas en el cual puede crecer este organismo pues sus proteínas aun deben mantener su estabilidad a un límite de 37ºC.
En cuanto al nivel transcripcional se encontró que del total de sus proteínas, 677 presentan una expresión significativamente diferencial entre las tres condiciones analizadas, de los cuales entre 100 y 120 aparentan ser específicos para el frío y/o una respuesta osmótica. Siguiendo esta línea de adaptaciones específicas se encontró que a -15 ºC la mayoría de las enzimas involucradas en el metabolismos se encuentran reprimidas a excepción de algunos componentes terminales de la cadena de transporte de electrones o del transporte de sustratos hacia el ciclo de ácidos tricarboxilicos, viéndose éstos últimos incrementados en su expresión, lo cual es consistente con el mayor requerimiento de de energía para la síntesis de biomasa a bajas temperaturas.
Este trabajo creo que es un buen ejemplo de la integración de técnicas clásicas de microbiología con los nuevos enfoques genómicos y transcriptómicos, pues a través de esta integración podemos lograr análisis más inclusivos y apoyar o suplir las limitantes de uno u otro de éstos métodos.
Bacterial growth at _15 1C; molecular insights from the permafrost bacterium Planococcus
halocryophilus Or1
Es interesante la investigación que se realice dentro de este trabajo, principalmente fue descriptivo, lanzando algunas hipótesis sobre la actividad metabólica de los microorganismos que viven en temperaturas extremas (-15 °C), y en especial con Planococcus halocryophilus. Sus análisis van desde una descripción fisiológica a través de aislados de cultivos, y microscopia de electrones. A anotación de genomas, y comparación de proteomas. A través de secuenciación 454 pirosecuencias y la utilización también de illumina. Esta bacteria es capaz de crecer a amplias temperaturas de 25°C a -15°C, teniendo una densidad de 105 cel/ml en las temperaturas más bajas, sin embargo a una temperatura menor de los – 15°C no crece. Aunque cabe destacar que una temperatura optima hay más densidad celular de estos organismos (108 cel/ml). Aun presentan una actividad metabólica, sin embargo la baja temperatura induce a cambios en sus componentes de ácidos grasos, quien se ven aumentados son los saturados, mientras que disminuyen los insaturado y ramificados, algo que no sucede con las respuestas típicas del as gran positivas. Esto se atribuye a la contribución de la fluidez membranal. Sin embargo en condiciones de salinidad alta favorece a los insaturados de los saturados, sin embargo cambios en las cadenas tanto longitud como saturación logran mantener estable la membrana. El tamaño de su genoma es de 3.4 Mpb que constituyen 35 contigs finales y 24 de ellos están involucrados en rRNA o transposasas, el genoma no contiene plásmidos pero tiene 12 inserciones de secuencias. A nivel de emparejamiento de proteínas es similar a Bacillaceae, Exiguobacterium sibiricum. La función de sus genes se distribuyes de 5-6 % metabolismo celular, 10% metabolismo de aa, 26 % a funciones básicas o desconocidas. Los factores de transcripción y traducción son mantenidos a bajas temperaturas, presenta multicopias que responden a stress, sigma-70. En la síntesis de acidos grasos y las rutas de degradación presentas varias isoenzimas que se activan en diferentes condiciones de crecimiento y la producción de carotenoide pitoene que puede contribuir en la fluidez membranal. Es capaz de sintetizar o acumular solutos, teniendo un número de transportadores osmóticos únicos de la cepa. Presenta 3 de las 5 característica de aminoácidos adaptados al frio, que aumenta la flexibilidad de las proteínas, y solo tres pues también tiene adaptación a temperaturas altas. Que es demostrada por la alta redundancia genómica que presenta (isoenzimas). Cuando se encuentra a una temperatura de -15 °C, la mayoría de las enzimas están involucradas en el metabolismo energético, y producción de ATP, y citocromo. Debido a la alta demanda energética que necesita en estas condiciones. Las funciones metabólicas son suprimidas bajo factores de estrés (baja temperatura y alta salinidad) y acumulan carbohidratos para la sobrevivencia.
Es un artículo muy interesante en donde nos describen a la especie Planococcus halocryophilus Or1, en donde no solo hacen en análisis del genoma, sino que hacen el análisis de las vías metabólicas y del transcriptoma, me parece que es un artículo en verdad completo y detallado de una bacteria, para explicar los cambios metabólicos que sufre en diferentes condiciones de estrés como las altas concentraciones de sal y las bajas temperaturas.
Cabe destacar que es muy diferente los análisis que se pueden llevar a cabo cuando solo se está analizando a un organismo de manera aislada, los alcances en la comprehensión de la biología de un organismo con su genoma se vuelven muy vastos y nos permiten hacer inferencias de muchos procesos que se están llevando a cabo.
El objetivo del trabajo fue caracterizar los procesos fisiológicos de especies procariontes resistentes al frío. El frío es un inhibidor de la vida porque la actividad molecular se hace menor y el agua que tienen las células se puede congelar, haciendo imposible todo proceso molecular. Este artículo es sobre un análisis experimental y genómico de la bacteria P. halocryophilus para caracterizar los mecanismos de adaptación al frío que posee Para hacer esto hicieron análisis de viabilidad y crecimiento a varias temperaturas, además de analizar el genoma de las células expuestas a estos tratamientos. Se enfocaron en varios aspectos de la fisiología celular que son importantes para evitar morir en el frío: primero, analizaron la composición de ácidos grasos de la membrana celular; esto es relevante porque la membrana es por así decirlo, la interfaz entre el exterior y el interior de una célula, y su fluidez y correcto funcionamiento es vital para que una célula permanezca viva. Además de esto, a nivel de las proteínas, se determinó su cociente de arginina y lisina, la abundancia de aminoácidos con cargas negativas y su nivel general de hidrofobicidad. Para saber qué es lo que las bacterias estaban haciendo a nivel de las proteínas que expresaban en cada tratamiento se hizo un análisis haciendo copias de DNA complementario o cDNA (usando una reversa transcriptasa para convertir el mRNA en DNA). En la figura 1 se puede ver que conforme la temperatura aumenta el crecimiento de las células disminuye, asimismo, en la figura 2 se puede ver que los restos de carbono mineralizado que quedan después de las reacciones metabólicas disminuye progresivamente conforme el tratamiento de la temperatura se hace más extremo. Me parece interesante que la pendiente del crecimiento al inicio baja rápidamente entre 0 y -5 grados, creo que esto debe tener que ver con el hecho de que el agua se solidifica a esta temperatura y entonces es cuando la célula se las ve en más aprietos, por decirlo de alguna forma, puesto que la cristalización debe aumentar mucho en este intervalo de temperatura. Me parece raro que la membrana se haga cada vez más rígida por la incorporación de ácidos grasos con colas saturadas, este resultado es algo contradictorio, pero al ver las células en el panel b de las figura 3 creo que se ven tan encapsuladas en material nodular que más bien se pueden saltar esta adaptación, puesto que más bien es una solución “rígida”. En lo que respecta al análisis genómico, un resultado que me parece relevante es que (¡otra vez!) hay una gran proporción de genes con funciones desconocidas. La tabla 2 resume las propiedades generales del genoma de esta especie. En este caso particular, no sirve de nada saber sólo si un gen cambia o no, si no que hay que saber qué hacen los genes, pues estamos hablando de un caso específico de condiciones ambientales que debe ser contrarrestado con funciones fisiológicas, y no sólo de un estudio que haga una clasificación como una filogenia, por lo que la parte de la asignación funcional me parece importante. Como es de esperarse, su genoma tiene abundancia de proteínas de respuesta a estrés, además de haber adaptaciones como modificaciones de la composición de aminoácidos de sus proteínas (figura 5). En general, la respuesta genómica es rápida y plástica, siendo una combinación de factores que actúan en sinergía los responsables de su tolerancia a las bajas temperaturas.
En este sorprendente artículo se presenta el hallazgo y la caracterización de una “superbacteria”. Encontrada en el permafrost ártico, esta bacteria es capaz de crecer y dividirse a -15°C y sigue siendo metabólicamente activa a -25°C. Los estudios realizados a su genoma indican que presenta redundancia genética de un 17% de los genes que le permiten soportar el estrés ambiental en el cual vive así como una membrana muy diferente a la de otros microorganismos de ambientes parecidos.
Este descubrimiento se suma a los de las bacterias resistentes a altas temperaturas y presiones, así como otros que también soportan muy bajas temperaturas, lo cual hace pensar que los límites para lo que podríamos definir como un ambiente capaz de soportar la vida no se encuentran tan claros como se pensaba. Estos hallazgos abren la posibilidad de encontrar vida no solo en regiones del planeta que nos parecen hasta ahora improbables sino también en otros planetas y demás cuerpos celestes.
Por otro lado, el estudio de las propiedades fisicoquímicas de los microorganismos extremófilos es de gran importancia industrial y tecnológica, pues nos encontramos frente a nuevos biomateriales nunca antes vistos de manera natural.
Se podría pensar que las temperaturas bajo cero limitan cualquier tipo de vida. En el permafrost del Ártico, esta regla se rompe con comunidades viviendo entre -10 y -20 ◦C. Sería interesante poder caracterizar su actividad metabólica bajo estas condiciones y definir su contribución a los ciclos biogeoquímicos propios del permafrost.
En el paper se describe a Planococcus halocryophilus Or1 como una bacteria aeróbica heterotrófica aislada del permafrost de la Isla de Ellesmere en Canadá. P. halocryophilus usa su genoma para adaptarse al permafrost, es decir a un ambiente frio y con altas concentraciones de sal. Su genoma es flexible y sus respuestas son específicas de la condición bajo la que se encuentre la célula. Como ejemplos, las siguientes adaptaciones.
Para empezar, la piedra angular es el análisis de su genoma. Se bosquejó a través de la pirosecuenciación 454 y por Illumina, dando como resultado una longitud de 3.4Mpb producto de 35 contigs, 24 de los cuales involucran RNAr o trnspoasas en sus extremos finales. El 85% de la secuencia codifica para 3500 proteínas aproximadamente. Aunque el genoma de P. halocryophilus no parece tener una alta homología con alguna secuencias conocida, su mejor hit lo tiene contra miembros de Bacillaceae. Es importante mencionar que la mayor porción de los genes (26%) fue clasificada solo teniendo una predicción general de ni siquiera conocida de la función. En cuanto a la replicación de P. halocryophilu, esta es básicamente llevada a cabo por helicasas que pertenecen a la caja DEAD y a factores recombinantes de la familia Rec. Estas proteínas demostraron tener actividad en bajas temperaturas en otras criófilos e induciendo sensibilidad a bajas temperaturas en mutantes. Varios factores sigma están presentes y es posible que actúen como señal de transducción alternativa para genes o regulones específicos bajo estrés de temperatura y de salinidad (como en Bacillus spp). De ella describen su crecimiento bifásico a temperatura óptima de 25◦C cada hora y crecimiento sub-optimo a -10 y a -15◦C cada 40 y 50 días. El número de colonias formadas por mililitro a -15◦C fue de 10^5 mientras que a 25◦C fue de 10^8. En cuanto a actividad metabólica, la bacteria evidencio actividad aun a -25◦C. Para ello, el mantenimiento de la membrana celular a temperaturas tales, necesita algunos cambios. Inesperadamente se demostró un cambio que favorece la formación de ácidos grasos saturados en lugar de ácidos grasos ramificados, contrario con la tendencia en bacterias Gram positivas. Además, P. halocryophilus no sintetiza ácidos grasos polinsaturados, como otros criófilos. La exposición a altas concentraciones de sal bajo temperatura optima, favorecen a los ácidos grasos no saturados sobre los insaturados. La observación bajo microscopia de transmisión electrónica, demuestra caracteres poco comunes en el desarrollo de la bacteria. La aparición de nódulos aparecen a lo largo del plano de división a los 25◦C , la orientación de estos sugiere que la concentración de peptidoglicanos o la secreción de exo-polisacaridos se da durante la división celular.
La primera modificación de desarrollo celular involucra la codificación de dos desaturasas de ácido graso que aparecen a los -15◦C y ni incrementa la porción de ácidos grasos ramificados o insaturados; la segunda consiste en la producción de carotenoides la cual parece estar ligada a la adaptación al medio frio en varias comunidades de microbios polares. Esta producción puede contribuir a la fluidez de la membrana bajo temperaturas bajas.
Algunas adaptaciones proteínicas se basan en su flexibilidad o estabilidad ante cambios de temperatura. Son cinco las adaptaciones en bacterias adaptadas a temperaturas muy bajas de temperatura: contenido de Arg-Lys, residuos ácidos, residuos de prolina, de clasificación alifática e hidrofobicida. De estos cinco, P. halocryophilus contiene tres.(residuos de prolina y residuos alifáticos son de los que carece). Se demostró que a -15◦C la mayoría de las enzimas involucradas en el metabolismo energético fueron reprimidas, con excepción del CytC y la ATP sintasa, la cual aumento su expresión. Algunos genes del ciclo tricarboxílico parecen ser inducidos por concentraciones altas de sal y temperaturas bajas, esto es consistente con el requerimiento energético requerido por unidad de biomasa durante el crecimiento a bajas temperaturas.
Por otro lado, el crecimiento a -15◦C de la bacteria en cuestión, induce ampliamente a nueve reguladores transcripcionales que no son inducidos en condiciones de alta salinidad. Estos pueden funcionar como factores sigma alternativos, regulando la expresión de genes específicos de la respuesta contra las bajas temperaturas o suprimiendo la demanda de energía en procesos celulares. De igual manera, a -15◦C se requiere una pared celular activa contra el frio, lo cual se logra incrementando la síntesis de pared celular. Respecto al balance osmótico, se codifican mecanismos halo-tolerantes que además puedan hacer regresa a la bacteria a un estado basal. Se demostró que a -15◦C la síntesis flagelar se favorece, mientras que en concentraciones de salinidad alta la formación del pili es la favorecida. Como último ejemplo, la respuesta ante el estrés se da por la chaperonina, la cual mantiene su actividad a través dela alta expresión de GroEL y la heat shock protein 33.
Este es otro artículo que nos muestra la capacidad de adaptación de las bacterias a distintos ambientes. Los autores obtienen el genoma completo de la bacteria hasta el momento que vive en el ambiente más frío que existe Planococcus halocryophihlus capaz de crecer a -15 grados °C y tener un metabolismo activo incluso a una mucho menor temperatura. Me pareció interesante que los autores incluyeron experimentos para poder determinar la capacidad de crecimiento a distintas temparaturas porque de hecho es una bacteria termo tolerante que vive también en un ambiente a temperatura de 25 grados °C, sin embargo tiene todo una serie de mecanismos celulares y bioquímicos que le permiten ser viable en ambientes congelados. Se demuestra el metabolismo mediante ensayos con isótopos de carbono para ver como se incorpora el carbono a la célula, se toman fotografías de microscopía electrónica para ver las células, sus cubiertas y la división celular, se analiza la composición de lípidos para ver cómo es que las membranas se mantienen y aquí es relevante que las adaptaciones al frío en otros organismos similares es muy diferente ya más que hacer fluida la membrana se favorece su estabilización (mayor proporción de cadenas no ramificadas) dado lo extremo de la temperatura a la que crece. También me gustó que a la par de obtener el genoma hicieron el transcriptoma de la bacteria de modo que se suman evidencias muy concretas sobre qué proteínas o genes se están sobreexpresando y esto permite también relacionarlo con las adaptaciones a nivel del genoma como la expansión de copias de ciertos genes relacionados con el estrés. En cuanto a las proteínas el análisis también incluye la composición de aminoácidos y proporciones bien definidas que resulta en una adaptación que favorece la flexibilidad de las proteínas, lo cual se entiende al considerar que es un ambiente en donde la cinética del sistema se reduce demasiado, así como en general sucede con todo el metabolismo de la bacteria. Es interesante ver que la respuesta al frío también está relacionada con la respuesta al estrés osmótico. En general, la transcripción, modificaciones del metabolismo de la pared celular y de los transportadores son parte de las adaptaciones y del conjunto de proteínas que se sobreexpresan. Así mismo es notorio cómo el metabolismo característico del ATP se incrementa también dado que es la fuente de energía básica que debe mantener viva a la bacteria.
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