Adaptaciones moleculares a la termofilia

La idea básica: proteínas más estables a temperaturas más elevadas. Enzimas termorresistentes.

Evidentemente, en estos organismos, sus enzimas y otras muchas proteínas, son más estables al calor elevado que en el caso de los mesófilos. Y aun un poco más allá: trabajan de forma óptima en esas condiciones.

En el caso de los organismos termófilos e hipertermófilos, las proteínas se condensan para excluir el agua de su interior, tienen un grado más alto de hidrofobicidad, tienen las cadenas de ácidos grasos más saturadas y más largas (en los archaea están unidas por éter, y son cadenas de ácidos grasos ramificadas que todavía son más hidrófobas).

Cuando se cambia la temperatura de crecimiento en un rango normal, las células no exhiben cambios de composición significativos. Sin embargo, cambios en los rangos extremos se acompañan típicamente por algunas alteraciones. Los cambios a temperatura alta induce la producción de unas 24 proteínas, incluyendo muchas proteasas, chaperones, etc. Los cambios para bajas temperaturas también induce un juego especial de proteínas que difieren de las proteínas resistentes al calor. La temperatura baja causa un cambio en los ácidos grasos con más enlaces dobles (poli-insaturados); algunas especies también disminuyen la longitud de las cadenas ácidas grasas. Estos cambios ayudan a mantener la fluidez de los lípidos a temperatura baja lo que a su vez ayuda a mantener la funcionalidad de las proteínas de membrana.

También la maquinaria encargada de sintetizar las proteínas (ribosomas, etc) es en conjunto mucho más estable en estos organismos, al igual que la membrana citoplasmática.

¿Cuál es el límite de temperatura superior para la vida? ¿Hay "super-hipertermófilos" capaz de crecimiento a 200 o 300ºC existen? Nadie sabe, aunque el conocimiento actual sugiere que el límite será aproximadamente 150ºC. Sobre esta temperatura, probablemente ninguna forma de vida podría prevenir la disolución de los enlaces químicos que mantienen la integridad del ADN y otras moléculas esenciales.

Los investigadores interesados en cómo la estructura de una molécula influye en su actividad está intentando entender cómo las moléculas en los organismos extremófilos permanecen funcionales bajo condiciones que destruyen moléculas equivalentes en organismos adaptados a condiciones menos extremas. Ese trabajo todavía está en marcha, aunque parece que las diferencias estructurales no necesitan ser dramáticas. Por ejemplo, varias extremozimas adaptadas al calor se parecen a sus similares "normales" en estructura aunque parece que contienen más enlaces iónicos y otras fuerzas interiores que ayudan estabilizar todas las enzimas.

Cualquiera que sea la razón para su mayor actividad en condiciones extremas, enzimas derivadas de los microorganismos termófilos han empezado a hacer incursiones impresionantes en la industria. Y eso empuka en gran manera la investigación básica.

El ejemplo más espectacular es la Taq polimerasa que se obtiene de Thermus aquaticus y es ampliamente empleada en la técnica de la PCR. Desarrollada a mediados de la década de los 80 por Kary B. Mullis, entonces en la Corporación Cetus, la PCR es hoy la base para la "firma de ADN" forense que recibió tanta atención durante los recientes ensayos de O. J. Simpson. También se usa extensivamente en investigación biológica moderna, en diagnóstico médico (infecciones como HIV o VHC) y, cada vez más, en screening para susceptibilidad genética a diversas enfermedades, incluyendo formas específicas de cáncer.

Cuando Mullis inventó la técnica, las polimerasas procedían de microorganismos no termófilos y por eso dejaban de funcionar correctamente en las fases de alta temperatura. Los técnicos tenían que rellenar las enzimas a mano después de cada ciclo. Para intentar resolver el problema, a finales de los años 80, científicos de Cetus probaron a utilizar T. aquaticus (descubierto por Brock unos 20 años antes) y aislaron la ADN polimerasa del microbio (Taq polimerasa). Su alta tolerancia al calor llevó al desarrollo de una tecnología de la actual PCR totalmente automatizada.

Más recientemente, algunos usuarios de PCR, extrapolando conclusiones, han reemplazado la Taq polimerasa por Pfu polimerasa. Esta enzima, aislada del hipertermófilo Pyrococcus furiosus, trabaja mejor a 100ºC.