Thermus aquaticus: qué es, características, ciclo de vida, aplicaciones
¿Qué es la Thermus aquaticus?
Thermus aquaticuses una bacteria termófila, descubierta por Thomas Brock en 1967, ubicada en el filo Deinococcus-Thermus. Es un microorganismo gram negativo, heterótrofo y aerobio, que posee como propiedad intrínseca la estabilidad térmica.
Es obtenida de una variedad de fuentes termales entre 50° C y 80° C, y pH 6.0 a 10,5, en el Parque Nacional de Yellowstone y en California, en Norteamérica. También ha sido aislada de hábitats térmicos artificiales.
Constituye una fuente de enzimas resistentes al calor, que sobreviven a los diferentes ciclos de desnaturalización. En este contexto, las proteínas y enzimas son de especial interés para la industria biotecnológica.
Por ello, las enzimas que la componen se utilizan en ingeniería genética, en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), y como herramienta de investigación científica y forense.
Características generales de Thermus aquaticus
Es gram negativa
La Thermus aquaticus, al ser sometida al proceso de tinción de gram, adquiere una coloración fucsia. Esto se debe a que la pared de peptidoglicano es sumamente delgada, por lo que las partículas de colorante no quedan atrapadas en ella.
Hábitat
Esta bacteria está diseñada para soportar temperaturas extremadamente altas. Esto implica que su hábitat natural es sitios del planeta en los que las temperaturas sobrepasan los 50° C.
En este sentido, esta bacteria se ha aislado de géiseres, siendo los más comunes los del Parque Nacional de Yellowstone; de aguas termales alrededor del mundo, así como también de ambientes artificiales de agua caliente.
Es aeróbica
Esto quiere decir que la Thermus aquaticus es una bacteria que obligatoriamente debe estar en ambientes que le proporcionen disponibilidad de oxígeno para así poder llevar a cabo sus procesos metabólicos.
Es termófila
Esta es una de las características más representativas de la Thermus aquaticus. Esta bacteria ha sido aislada de sitios en los que las temperaturas son sumamente elevadas.
La Thermus aquaticus es una bacteria muy especial y resistente, ya que a temperaturas tan altas como las que soporta, las proteínas en la mayoría de los seres vivos se desnaturalizan y dejan de cumplir sus funciones de manera irreversible.
Esta bacteria tiene una temperatura de crecimiento que abarca un rango desde los 40° C hasta los 79° C, siendo la temperatura óptima de crecimiento los 70° C.
Es heterótrofa
Como todo organismo heterótrofo, esta bacteria requiere de compuestos orgánicos presentes en el ambiente para poder desarrollarse. Las fuentes principales de materia orgánica son bacterias y algas presentes en los alrededores, así como también el suelo alrededor.
Se desarrolla en ambientes ligeramente alcalinos
El pH óptimo en el que la Thermus aquaticus puede desarrollarse sin que las proteínas que la conforman pierdan su función es de entre 7,5 y 8. Vale recordar que en la escala de pH el 7 es neutro. Por encima de este es alcalino y por debajo ácido.
Produce gran cantidad de enzimas
Thermus aquaticus es un microorganismo que ha sido de gran utilidad a nivel experimental debido a su capacidad de vivir en ambientes con altas temperaturas.
A través de muchas investigaciones se ha determinado que sintetiza numerosas enzimas que, curiosamente, en otros microorganismos a esas mismas temperaturas, se desnaturalizan y pierden su función.
Las enzimas que sintetiza la Thermus aquaticus que más se han estudiado son:
- Aldolasa
- Taq I enzima de restricción
- ADN Ligasa
- Fosfatasa alcalina
- Isocitrato deshidrogenasa
- Amilomaltasa
Filogenia y taxonomía de Thermus aquaticus
Este microorganismo está encuadrado bajo el enfoque clásico:
- Reino: Bacteria
- Phylum: Deinococcus- Thermus
- Clase: Deinococci
- Orden: Thermales
- Familia: Thermaceae
- Género: Thermus
- Especie: Thermus aquaticus.
Morfología de Thermus aquaticus
La bacteria Thermus aquaticus pertenece al grupo de las bacterias con forma de barra (bacilos). Las células tienen un tamaño aproximado de entre 4 y 10 micras.
En el microscopio se pueden observar células muy grandes, así como también células pequeñas. No presentan cilios ni flagelos en la superficie celular.
La célula de Thermus aquaticus tiene una membrana que a su vez está integrada por tres capas: una interna de plasma, una externa de apariencia rugosa y una intermedia.
Una de las características diferenciales de este tipo de bacteria es que en su membrana interna hay unas estructuras que parecen varillas, que se conocen como cuerpos rotundos.
De igual forma, estas bacterias contienen en su pared celular muy poco peptidoglicano, y a diferencia de las bacterias gram positivas, contiene lipoproteínas.
Cuando es expuesta a la luz natural, las células de la bacteria pueden tomar una coloración amarilla, rosada o roja. Esto se debe a los pigmentos que se encuentran contenidos en las células bacterianas.
El material genético se encuentra conformado por un único cromosoma circular en el que está contenido el ADN. De este, aproximadamente el 65% está conformado por nucleótidos de guanina y citosina, siendo que los nucleótidos de timina y adenina representan el 35%.
Ciclo de vida de Thermus aquaticus
En general, las bacterias, incluída la T. aquaticus, se reproducen asexualmente por división celular.
Comienza a replicarse el único cromosoma de ADN; se replica para poder heredar a las células hijas toda la información genética, debido a la presencia de la enzima llamada DNA polimerasa. A los 20 minutos el nuevo cromosoma está completo y se ha fijado en un sitio en la célula.
La división continúa y a los 25 min, los dos cromosomas se han comenzado a duplicar. Aparece una división en el centro de la célula y a los 38 min., las células hijas presentan la división separadas por una pared, finalizando la división asexual a los 45-50 min.
Estructura celular y metabolismo
Por ser una bacteria gram negativa, posee una membrana externa (capa lipoproteica) y periplasma (membrana acuosa), donde se ubica el peptidoglucano. No se observan cilios ni flagelos.
La composición de los lípidos de estos organismos termófilos debe adaptarse a las fluctuaciones de la temperatura del contexto donde se desarrollan, para mantener la funcionalidad de los procesos celulares, sin perder la estabilidad química necesaria para evitar la disolución a altas temperaturas.
Por otro lado, T. aquaticus se ha convertido en una verdadera fuente de enzimas termoestables.
La taq ADN polimerasa es una enzima que cataliza la lisis de un sustrato generando un doble enlace, por lo que se relaciona con las enzimas de tipo liasas (enzimas que catalizan la liberación de los enlaces).
En vista de que proviene de una bacteria termófila, resiste prolongadas incubaciones a altas temperaturas.
Cabe destacar que cada organismo posee ADN polimerasa para su replicación, pero debido a su composición química no resiste a altas temperaturas.
Es por ello que la taq ADN polimerasa es la principal enzima utilizada para amplificar secuencias del genoma humano, así como de genomas de otras especies.
Aplicaciones de Thermus aquaticus
Amplificar fragmentos
La estabilidad térmica de la enzima permite que sea utilizada en técnicas para amplificar fragmentos de ADN mediante la replicación in vitro, como la PCR (reacción en cadena de la polimerasa).
Para ello, se requiere de cebadores iniciales y finales (corta secuencia de nucleótidos que proporciona un punto de partida para la síntesis de ADN), la ADN polimerasa, desoxirribonucleótidos trifosfato, solución tampón y cationes.
El tubo de reacción con todos los elementos se coloca en un termociclador entre 94 y 98 grados Celsius, para dividir el ADN a cadenas simples.
Comienza la actuación de los cebadores y ocurre nuevamente el recalentamiento entre 75-80° C. Inicia la síntesis desde el extremo 5′ al 3′ del ADN.
Aquí reside la importancia de utilizar la enzima termoestable. Si se utilizara cualquier otra polimerasa, sería destruida durante las temperaturas extremas necesarias para llevar a cabo el proceso.
Kary Mullis y otros investigadores de Cetus Corporation, descubrieron la exclusión de la necesidad de añadir enzima después de cada ciclo de desnaturalización térmica del ADN. La enzima fue clonada, modificada y se produce en grandes cantidades para su venta comercial.
Catalizar reacciones bioquímicas
Los estudios de las enzimas termoestables han llevado a la aplicación a una enorme gama de procesos industriales y han supuesto un gran avance en la biología molecular. Desde el punto de vista biotecnológico, sus enzimas son capaces de catalizar reacciones bioquímicas en condiciones extremas de temperatura.
Por ejemplo, se han desplegado investigaciones para desarrollar un proceso para gestionar los desperdicios de plumas de pollo sin el uso de microorganismos potencialmente infecciosos.
Se investigó la biodegradación de la pluma de pollo mediada por la producción de proteasa queratinolítica, que implica el uso de T. aquaticus termófilo no patógeno.
Biotecnología de alimentos
La hidrólisis del gluten por la serina peptidasa termoactiva aqualysin1 de T. aquaticus, comienza por encima de 80° C en la elaboración del pan.
Con esto se estudia la contribución relativa del gluten termoestable a la textura de la miga de pan.
Degradación de compuestos policlorobifenilos
En cuanto a la utilidad en el ámbito industrial, las enzimas de Thermus aquaticus como bacterias termófilas son aplicadas en la degradación de compuestos policlorobifenilos (PCBs).
Estos compuestos son utilizados como refrigerantes en equipos eléctricos. La toxicidad es muy amplia y su degradación es muy lenta.
Referencias
- Brock, TD., Freeze H. Thermus aquaticus gen. n. and sp. n., a nonsporulating extreme thermophile (1969). J Bacteriol. Vol. 98(1). 289-297.
- Dreifus Cortes, George. El mundo de los microbios. Editorial Fondo de cultura económica. México (2012).
- Mas E, Poza J, Ciriza J, Zaragoza P, Osta R y Rodellar C. Fundamento de la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR). AquaTIC nº 15, noviembre (2001).
- Ruiz-Aguilar, Graciela M. L., Biodegradación de Bifenilos Policlorados (BPCs) por Microorganismos.. Acta Universitaria [en linea] (2005), 15 (mayo-agosto). Disponible en redalyc.org.
- Sharp R, William R. Thermus specie. Biothecnology Handbooks. Springer Science Business Media, LLC. (1995).