Las enzimas sintetizadas por hipertermófilos (bacterias y arqueas con una temperatura de crecimiento óptima por arriba de 80°C), también llamadas enzimas hipertermófilas, son típicamente termoestables (esto es, resistentes a la activación irreversible a altas temperaturas) y óptimamente activas a altas temperaturas (Vieille, Zeikus 2001).

Hoy en día, una gran diversidad de proteínas han sido identificadas como termófilas e hipertermófilas; es decir, que tienen la capacidad de funcionar a altas temperaturas (arriba de 50°C) mientras que las proteínas mesófilas tienen una actividad óptima entre 25°C y 50°C. Además, estas proteínas demuestran una incapacidad a funcionar a temperaturas por debajo de los 50°C. Estas proteínas provienen de bacterias o de arqueas que viven en ambientes particularmente extremos, donde las temperaturas altas han impuesto a estos organismos la necesidad de desarrollar mecanismos de adaptación (Alain et al, 2010).

 En experimentos de expresión de enzimas termoestables recombinantes en organismos mesófilas, se ha observado que estas proteínas conservan sus propiedades térmicas, indicando que estas propiedades están genéticamente codificadas. Algunos criterios genéticos han sido identificados desde algunos años. Análisis de secuencias, comparaciones del contenido de aminoácidos, comparaciones de estructuras proteicas y experimentos de mutagénesis dirigida han evidenciado que las enzimas termofílicas son muy similares a sus homólogas mesofílicas.

No se ha identificado un único mecanismo responsable del gran aumento de la estabilidad de las proteínas termófilas e hipertermófilas; sino que éste es debido a un pequeño número de alteraciones altamente específicas que a veces no obedecen a algún mecanismo conocido (Vieille, Zeikus 2001). Por lo tanto, resulta de interés conocer cuáles son los criterios biológicos que permiten a algunas proteínas ser funcionales a temperaturas altas mientras que otras proteínas, con la misma función biológica no pueden funcionar a estas temperaturas.

En el presente trabajo se estudió por medio de un análisis bioinformático, el vecindario y la composición de aminoácidos a la ADN polimerasa IV. La Pol IV y Pol V pertenecen a la recientemente descrita familia Y de ADN polimerasas. Estas enzimas son por lo general consideradas polimerasas de baja fidelidad en vista de su carencia de actividad de corrección de errores y sus altas tasas de error in vitro. Ambas enzimas forman parte del regulón SOS en procariotas, son inducidas bajo condiciones de daño extremo en el ADN, y están involucradas en la reparación de lesiones de ADN y mutagénesis (Kuban,  et al 2004). Por lo tanto, resulta de interés conocer las propiedades que aportan termoestabilidad a esta enzima, debido a su amplia distribución en la naturaleza; así como por representar un mecanismo clave en el mantenimiento de la integridad del ADN, incluidas las lesiones por alta temperatura. Por último, el estudio la termoestabilidad de las ADN polimerasas tiene muchas aplicaciones en el área bioquímica, particularmente para su utilización en las reacciones de amplificación de ADN (Reacción en cadena de la polimerasa PCR). El organismo elegido para realizar el análisis fue Sulfolobus solfataricus, una especia de arqueo termófila que ha sido ampliamente utilizado como organismo modelo (Cline, et al 1996).

 Figura 1. Sequence logo de los alineamientos múltiples de las secuencias de proteínas mesófilas y termoestables, respectivamente.


Figura 1. Sequence logo de los alineamientos múltiples de las secuencias de proteínas mesófilas y termoestables, respectivamente.

Con base en la comparación de secuencias de proteínas termoestables y mesófilas (Figura 1)  Se puede observar que ambas presentan secuencias muy similares, sin embargo, existen algunos cambios notables. En la posición 16/11 se puede observar una tendencia a la sustitución de la histidina característica de proteínas mesófilas por fenilalanina. Esto es consistente con el modelo que señala que la protonación de los residuos de histidina puede ser responsable del decaimiento de la estabilidad de la proteína a bajos valores de pH (Sujak, et al 2007).

De igual manera, la metionina en la posición 19/14 tiende a ser sustituida por fenilalanina con el aumento de la termoestabilidad. En la posición 21/16 se observa una sustitución de alanina por tirosina. Tanto la fenilalanina como la tirosina representan aminoácidos aromáticos no polares, con un mayor peso molecular y área de contacto, que alanina y metionina, los cuales son aminoácidos no polares de menor peso molecular y área superficial. Asi mismo se observó una disminución en la cantidad de residuos de fenilalanina en proteínas termoestables. La cantidad de tirosina no varió de manera significativa. Las interacciones aromático-aromático (pares aromáticos) están formadas por dos grupos fenilos con menos de 7.0 A de distancia entre el centro de los anillos. La mayoría de estas interacciones son energéticamente favorables (el 80% tiene energías potenciales entre 0 y 22 kcal/mol), y ocupan posiciones en el interior del plegamiento proteico (Vieille, Zeikus 2001), por lo tanto, resulta inesperada la disminución en la proporción de fenilalanina en proteínas termoestables. Análisis relativos a la estructura proteica podrían explicar estos resultados.

Sin embargo, la preferencia de las enzimas hipertermófilas a una determinada composición de aminoácidos podría resultar ser evolutivamente relevante, más que un indicativo de su adaptación a altas temperaturas. Es probable que la distribución de los residuos y su interacción en la proteína sean más relevantes para la termoestabilidad que la composición de aminoácidos (Vieille, Zeikus 2001).

Referencias

C Vieille, GJ Zeikus (2001). Hyperthermophilic Enzymes: Sources, Uses, and Molecular Mechanisms for Thermostability, Microbiology and Molecular Biology Reviews, Michigan state University.

K Alain, C Geslin, A Godfroy, D Prieur. (2010). Les thermophiles.

W Kuban, P Jonczyk, D Gawel, K Malanowska, RM Schaaper and I J Fijalkowska. (2004). Role of Escherichia coli DNA Polymerase IV in In Vivo Replication Fidelity. Journal of Bacteriology

J Cline, J C. Braman, H H. Hogrefe. (1996). PCR Fidelity of Pfu DNA Polymerase and Other Thermostable DNA Polymerases

A Sujak, N J. M. Sanghamitra, O Maneg, B Ludwig, S Mazumdar (2007), Thermostability of Proteins: Role of Metal Binding and pH on the Stability of the Dinuclear CuA Site of Thermus thermophiles, Biophysical Journal. 93

Acerca de los autores

Eusebio Raúl Uc Santos es estudiante de sexto semestre de la Licenciatura en Ingeniería en Biotecnología de la Universidad Autónoma de Yucatán (UADY). Ganador de medalla de oro en la XXIII Olimpiada Nacional de Química (2014) y medalla de plata en la XXIII Olimpiada Nacional de Biología (2014).
Samuel Daviaud es estudiante de ingeniería bioquímica en cuarto año en el INSA (Institut National des Sciences appliquées) de Toulouse en Francia. Bachillerato obtenido en 2013 con mención honorífica, con especialización en física y química.