Desde Bombillas hasta la Vida

Desde Bombillas hasta la Vida

Por :Emilio Jiménez

Un organismo unicelular que vive en los respiraderos volcánicos del océano profundo ha desarrollado un metabolismo alternativo que utiliza wolframio o tungsteno, un elemento químico que se utiliza para hacer filamentos de bombillas.

Por Leslie Mullen

Un organismo unicelular que vive en los respiraderos volcánicos del océano profundo ha desarrollado un metabolismo alternativo que utiliza tungsteno –un elemento que se utiliza para hacer filamentos de bombillas.

Todos conocemos que los metales como cobre, hierro y zinc son necesarios para mantener la salud humana. El molibdeno es también un elemento esencial para la nutrición, utilizado por algunas enzimas del cuerpo para ayudar a metabolizar el carbono, nitrógeno y compuestos sulfúricos. Muchas otras formas de vida utilizan el molibdeno de forma similar. Pero un organismo unicelular que habita en los respiraderos volcánicos ha desarrollado un metabolismo alternativo que utiliza tungsteno en lugar de molibdeno.

Llamado Pyrococcus Furiosus, este nombre significa “bola de fuego acelerada”, y se refiere a la rápida tasa de reproducción del microorganismo – P. Furiosus puede doblar su número sólo en 37 minutos— y su temperatura preferida es de alrededor de 100 grados Centígrados (212 F.), el punto de ebullición del agua.

Tales temperaturas acabarían con la mayoría de los microorganismos porque el calor extremo provoca que las proteínas del cuerpo desaparezcan. Las proteínas de la archaea hypertermophilic como la P. Furiosus son resistentes al calor. El agua a tal temperatura también tiende a tener muy poco oxígeno disuelto, pero eso no representa problema para la P. Furiosus, puesto que es un organismo anaeróbico.

El tungsteno, algunas veces descrito como “metal de otro mundo” por su elevado punto de fusión (3422 grados Centígrados, o 6192 F), es mejor conocido por su uso en bombillas que por su uso en organismos vivos. Pero el elemento es muy similar al molibdeno en muchos aspectos, y por lo tanto puede ser utilizado por P. Furiosus en formas similares.

Michael Adams y su equipo en la Universidad de Georgia han purificado cuatro enzimas que contienen tungsteno utilizadas por P. Furiosus. Adams indica que la secuencia del genoma de la P. Furiosus sugiere que pueda contener una quinta enzima que contenga tungsteno, pero esa enzima no ha sido aún caracterizada.

Las enzimas son moléculas de proteínas que actúan como catalizadores en las reacciones bioquímicas, haciendo que las reacciones sean mejores y más eficientes. Una enzima tiene una capa definida en la cual sólo una sustancia química (el “sustrato”) puede adaptarse. La enzima es como una cerradura que sólo acepta un determinado sustrato “llave”. Una vez esos dos componentes se unen, determinados enlaces químicos en la molécula del sustrato se activan.

Adams dice que dos de las enzimas con tungsteno de P. Furiosus están implicados en el metabolismo de aminoácidos, de la misma forma que algunas enzimas con molibdeno. Una de las tungsteno enzimas está relacionada en el metabolismo de los carbohidratos, pero al contrario que las molibdeno enzimas, porque la reacción que se cataliza es distinta. La función de la cuarta tungsteno enzima purificada aún no está clara.

Mientras que el tungsteno y el molibdeno preparan sus respectivas enzimas de una forma similar las tungsteno enzimas de P. Furiosus no tienen la misma capa que las molibdeno enzimas. Adams indica que la diferencia sugiera que las tungsteno enzimas y las molibdeno enzimas probablemente evolucionaron independientemente.

“La situación es similar a las enzimas que contienen hemo,” dice Adams. Las enzimas que contienen hemo, también conocidas como hemoproteínas, son un tipo de enzimas que se encuentran en todas las células de los mamíferos (la hemoglobina es una de las hemoproteínas más conocidas). “Existen muchos tipos distintos de hemoproteínas, con funciones muy diferentes, y los distintos tipos pueden mostrar muy pocas diferencias (si muestran alguna) si se les secuencia. Similarmente, el molibdeno –y el tungsteno—contienen familias evolucionadas por separado, aunque contienen factores comunes.”

Hay muchos tipos distintos de molibdeno enzimas –se utilizan para varias funciones por todos, desde plantas hasta animales, desde bacterias hasta archaeas –pero todas esas enzimas distintas contienen molibdenos en los mismos lugares.

Un número muy pequeño de esas molibdeno enzimas también son capaces de utilizar tungsteno. En esas enzimas inusuales, el tungsteno y el molibdeno se utilizan en los mismos lugares. La primera enzima de esas características fue descubierta por Lars Ljungdahl, de la Universidad de Georgia en 1983, en una termophile llamada Clostridium thermoaceticum. Desde este primer descubrimiento, más de una docena de esas enzimas se han aislado y caracterizado en bacteria y archaea. Este tipo de enzima muestra similaridades en su secuencia genética –y por lo tanto está muy relacionada— a las molibdeno enzimas.

Las tungsteno enzimas de P. Furiosus son únicas porque no son capaces de utilizar molibdeno, en su lugar, utilizan tungsteno. Esas enzimas no muestran estructura genética relacionada con la clase de enzimas que contienen molibdeno— ni siquiera con las molibdeno enzimas como la de Ljungdahl que también contienen tungsteno.

“Las tungsteno enzimas de P. Furiosus son de muy distinta evolución a todas las molibdeno enzimas y las pocas tungsteno enzimas que conocemos,” dice Adams. “Incluso en las enzimas de P. Furiosus, la forma en que el tungsteno se une a la enzima es muy similar a la forma en que se realiza en todas las molibdeno enzimas – aunque en el resto de las estructuras de las enzimas es completamente diferente.”

“Las enzimas de molibdeno y tungsteno realizan pasos similares en el metabolismo,” dice Edward Stiefel, Profesor de Química en la Universidad de Princeton. “Tiene la capacidad de tener roles similares. Lo que es realmente interesante es que el resto de proteínas –que realizan la mayor parte de la entidad – no son en absoluto similares. Por lo tanto, las enzimas de molibdeno y tungsteno parecen apuntar a un caso de evolución convergente. La naturaleza elige elementos relacionados para representar funciones similares.”

Muchos científicos creen que estudiar la vida en las chimeneas volcánicas del océano profundo puede enseñarnos acerca de la primera vida en la Tierra. Debido a la hypertermophilic archaea que coloniza esas chimeneas se cree que es uno de los organismos de evolución más lenta, y puede ser el mejor representante vivo de los primeros habitantes de la Tierra.

Las chimeneas hidrotermales son ricas en tungsteno y escasea al molibdeno. Las chimeneas expulsan grandes cantidades de sulfuro y precipitaciones de molibdeno (que se solidifica) cuando se expone al sulfuro. El tungsteno, por el contrario, tiende a mantenerse soluble en la presencia de sulfuro.

El molibdeno se convierte en soluble cuando se expone al oxígeno, por lo que en agua marina normal – alejado de las chimeneas – el molibdeno es abundante.

Quizá los antiguos organismos que utilizaban tungsteno evolucionaron hasta las criaturas que hoy en día utilizan molibdeno. Antes de que el oxígeno fuese abundante en la Tierra, los océanos pudieron haber estado repletos de sulfuro y tungsteno. Las primeras criaturas marinas hubieran sido capaces de utilizar el tungsteno tal y como P. Furiosus lo hace hoy, mientras que el molibdeno hubiera estado en su inaccesible forma sólida. Pero una vez que la cianobacteria comenzó a saturar la atmósfera y los océanos con oxígeno, el molibdeno se hizo soluble y con el tiempo se convirtió en más abundante en los océanos que el tungsteno. Los organismos evolucionaron para ajustarse a la diferencia, y el molibdeno al final reemplazó al tungsteno en la mayoría de los procesos metabólicos.

“La biología es muy ingeniosa,” dice Stiefel. “Nunca sabes exactamente cómo va a compensarse, cómo va a reemplazar algo con alguna otra cosa.”

¿Qué sigue?

Adams indica que su laboratorio actualmente está tratando de comprender los roles fisiológicos de las tungsteno enzimas en P. Furiosus.

“Nuestros estudios se encaminarán hacia la comprensión del trabajo que realizan las otras tren enzimas en la célula, cómo están reguladas y cuál es la naturaleza de la quinta tungsteno enzima. Para finalizar, hemos construido recientemente micro cadenas de ADN que contienen los 2.200 genes de Pyrocccus y las estamos utilizando para evaluar cómo esos genes – y particularmente aquellos de las cinco tungsteno enzimas – se comportan bajo una variedad de condiciones de crecimiento”

En un proyecto relacionado, Adams y su equipo están investigando el rol y la naturaleza de las tungsteno – y molibdeno enzimas en la hypertermophile Pyrobaculum aerophilum.