Per què és tant resistent a la radiació UV?
Introducció
Deinococcus radiodurans és un bacteri gram-positiu amb pigments vermells i sense motilitat que va ser identificat originalment com a contaminant en una llauna de carn tractada amb altes dosis de radiació gamma (Anderson, A., Nordan, H. et al., 1956). Posteriorment, ha estat aïllat en tot tipus d’ambients: des de sòls humits rics en matèria orgànica fins a les regions més fredes i seques de l’Antàrtida. També s’ha trobat present a instruments mèdics prèviament esterilitzats mitjançant radiació gamma i peròxid d’hidrogen (Minton, K.W., 1994). Aquest microorganisme posseeix una resistència a les radiacions ionitzants i a la dessecació que en quantitats equivalents causen la mort a la majoria dels éssers vius. És capaç de sobreviure a una radiació de 15.000 Gy, mentre que una dosis de 10 Gy pot matar a un humà.
Tot i ser un bacteri no esporulat, és molt resistent a la dessecació, pot sobreviure fins a 6 setmanes. Té un embolcall cel·lular format per 6 capes, dues de les quals són la membrana plasmàtica i la capa de petidoglicà. Per sobre s’hi troben 4 capes més, on la més exterior està composta per un entramat de complexos proteics hexagonals (Makarova, K.S., Aravind, L. et al., 2001).
Es creu que aquesta resistència a la dessecació i a les radiacions ionitzants són processos relacionats, ja que la resistència a la dessecació requereix una eficaç reparació del DNA. Els danys en el DNA provocats tant per la dessecació com per la radiació ionitzant són similars, però en la natura no es troben nivells tan alts de radiació com per adquirir aquest mecanisme per resistir-la (Battista, J.R., Mattimore, V., 1996).
El secret d’aquestes magnífiques propietats es troba en el seu peculiar genoma.
Figura 1: Imatges de microscopia electrònica de transmissió (c,d) i de “scanning” (a,b) de Deinococcus radiodurans. Es pot observar l’organització en tètrades.
Font: Gerber, E.; Bernard, R. et al. (2015). Deinococcus as new chassis for industrial biotechnology: biology, physiology and too. Journal of Applied Microbiology. Volume 119 (1) ,1–10.
El genoma de D. radiodurans
El genoma de Deinococcus radiodurans està compost per 4 mol·lècules de DNA: 2 cromosomes principals (2.648.638 i 412.348 parells de bases), un plàsmid (45.704 Pb) i un “megaplàsmid” (177.466 Pb) (White, O; Eisen, J.A. et al.; 1999). El fet de presentar 2 cromosomes d’aquesta mida i a més 2 plàsmids és un fet poc usual i una característica destacable d’aquest bacteri. En les etapes de creixement exponencial pot contenir fins a 10 còpies complertes del seu genoma , cosa que facilita la reordenació del DNA quan aquest es troba fragmentat (Othani, N., Tomita, M., Itaya, M., 2010).Figura 2: Representació circular del genoma de D. radiodurans. En color es troben destacats els loci de les regions codificants predites.
Font: White, O; Eisen, J.A. et al. (1999).Genome sequence of the radioresistant bacterium Deinococcus radiodurans R1. Science 286 1571–1577.
Resistència a la radiació
Deinococcus presenta dos mecanismes per reparar DNA danyat per radiació i/o dessecació, similars als d’altres bacteris més coneguts com E. coli o M. luteus., tot i que de manera més eficient (Battista, J.R., Mattimore, V., 1996). També presenta altres mecanismes que són útlits per a la resistència a les radiacions com la pigmentació o acumulació de manganès.
Reparació per escisió
La reparació eficient per escisió de nucleòtids consisteix en substituïr els fotoproductes causats per els efectes de la radiació UV per nucleòtids inalterats. El mecanisme més conegut és el del sistema Uvr, que també es pot trobar en E. coli. La principal diferència amb la resta de bacteris rau en que la proteïna UvrA, que actua com a sensor de lesions puntuals de pocs nucleòtids a la cadena de DNA, és molt més sensible en Deinococcus radiodurans, detectant més lesions en un temps menor. Posteriorment aquesta proteïna indueix la formació d’un complex anomenat UvrBC, que s’ocupa d’escindir el nucleòtid afectat i substituïr-lo per nucleòtid no afectat (Minton, K.W., 1994).
Reparació recombinacional
Reparació recombinacional
Les radiacions també poden trencar el DNA en molts fragments petits, fent que la cèl·lula no pugui tornar a acoblar la cadena de nucleòtids i acabi morint. Bacteris com E. coli poden recombinar de nou el DNA quan aquest no presenta més de 3 trencaments de la doble cadena en un mateix cromosoma, mentre que en Deinococcus radiodurans s’han observat més de 100 trencaments de la doble cadena en un sol cromosoma sense perdre la viabilitat (Daly M.J. et al., 1994).
Això li permet, doncs, resistir alts nivells de radiacions ionitzants i recombinar els fragments de DNA generats per a recuperar la seva estructura original. També pot ser de gran ajuda posseir un nombre elevat de còpies dels cromosomes, per així poder recombinar els fragments més fàcilment.
Aquest mecanisme de recombinació té lloc gràcies a un grup de proteïnes que també es troben en enterobactèries. Una d’aquestes proteïnes és RecA, que s’encarrega de localitzar extrems cohesius de doble cadena i facilitar la seva recombinació (Minton, K.W., 1994). S’ha demostrat també que la multiplicitat de la informació genètica pot facilitar aquesta funció de la RecA (Daly et al. 1994).
Tot i també trobar-se en altres bacteris, hi ha indicis de que RecA interactua amb altres molècules de forma diferent en Deinococcus radiodurans (Minton, K.W., 1994), fet que pot explicar la major eficiència de la reparació recombinacional en aquesta espècie.
Figura 3: Gràfic que representa el recompte de viables de 3 soques respecte a la dosi de radiació rebuda. S’hi troben representades una soca de E. coli, una soca salvatge de D. radiodurans i una soca de D. radiodurans incapaç d’expressar RecA (RecA-).
Font: Minton, K.W. (1994). D.repair in the extremely radioresistant bacterium Deinococcus radiodurans. Molecular Microbiology 13(1), 9-15.
Presència de manganès
Una primera línia de defensa contra les radiacions ionitzants (IR) en Deinococcus radiodurans (també en altres bacteris resistents a radiacions) podria ser deguada a l'acumulació de complexos de manganès, que eviten la producció d'agents reactius oxidatius depenents del ferro (M. J. Daly, 2009). Això permetria a una cèl·lula irradiada protegir la suficient activitat enzimàtica necessària per reparar el DNA i sobreviure.
Pigmentació
La pigmentació vermella de Deinococcus Radiodurans és deguda a un pigment carotenoide, localitzat a la superfície de la cèl·lula, que té una gran capacitat antioxidant gràcies a la seva estructura (Saito, T., Ohyama, O. et al, 1998). Això li permet actuar com a antioxidant per als lípids, proteines i polisacàrids de la superfície de la cèl·lula, protegint-los de l’estrés oxidatiu causat per les radiacions ionitzants i UV i d’aquesta manera contribuint a la seva radioresistència.
Aplicacions
Els bacteris del gènere Deinococcus han estat àmpliament estudiats degut a les curiositats que generen les seves característiques. Aquest interès ha iniciat un camí cap a possibles aplicacions en molts camps biotecnològics, tals com biorremediació i biomedicina, entre d’altres.
Aquest bacteri ha estat modificat genèticament per a consumir i reduir metalls pesants i disolvents, fins i tot en àrees extremadament radioactives. S’han publicat estudis en que s’ha utilitzat en situacions reals, i D. radiodurans ha estat capaç de reduir la presència de metalls pesants com el mercuri en entorns altament radiactius, on altres espècies utilitzades per a biorremediació no serien viables (Brim, H., McFarlan S.C. et al, 2000)
També hi ha empreses com Deinove que han dissenyat soques de Deinococcus amb moltes aplicacions diferents, sobretot enfocades a la producció de biocombustibles i productes farmacèutics.
Vídeo: Propietats del Deinococcus i aplicacions biotecnològiques - Deinove.
Conclusions
Deinococcus radiodurans, vulgarment conegut com a “Conan el bacteri”, presenta un seguit de característiques realment sorprenents. Es pot concloure que la resistència a la radiació d’aquest microorganisme no és deguda a un sol mecanisme, sinó que es tracta d’una eficient combinació de diverses característiques morfològiques (com el seu embolcall i els pigments que presenta) i processos (com els mecanismes de reparació del DNA) que li confereixen aquesta propietat.
Es pot afirmar, doncs, que es tracta d’un extremòfil “radoresistent” que sobreviu en condicions a les que no s’ha vist sotmès de manera no artificial (ja que a la natura no existeixen nivells de radiació tant elevats) i que pot viure en una gran diversitat d’hàbitats. Aquesta paradoxa planteja una incògnita sobre l’origen d’aquesta resistència. Tal i com suggereixen nombroses línies d’investigació, podria estar lligada a les adaptacions a la dessecació que provoca danys en el DNA similars als de l’exposició a alts nivells de radiació.
Pel que fa a les seves aplicacions, pot resultar molt útil en biorremediació en zones amb radioactivitat, però aparentment no resulta molt eficient per a producció de bens industrials com biofuels. Això és degut a que ja existeixen altres bacteris i llevats utilitzats en la indústria que estan resultant molt més eficients.
Bibliografia:
- Anderson, A., Nordan, H.et al (1956). Studies on a radioresistant Micrococcus. I. Isolation, morphology, cultural characteristics and resistance to gamma radiation. Food Tech 10, 575–578.
- Battista, J.R.; Mattimore, V. (1996). Radioresistance of Deinococcus radiodurans: Functions necessary to survive ionizing radiation are also necessary to survive prolonged desiccation. Journal of Bacteriology. Vol. 178, No. 3, 633–637.
- Brim, H., McFarlan S.C. et al (2000). Engineering Deinococcus radiodurans for metal remediation in radioactive mixed waste environments. Nature Biotechnology 18, 85 - 90.
- Daly, M.J. et al. (1994) In vivo damage and recA-dependent repair of plasmid and chromosomal DNA in the radiation-resistant bacterium Deinococcus radiodurans. Journal of Bacteriology. Vol. 176(12): 3508–3517.
- Daly, M.J. (2009). A new perspective on radiation resistance based on Deinococcus radiodurans. Nature reviews Microbiology. Volume 7, 237-244.
- Gerber, E.; Bernard, R. et al. (2015). Deinococcus as new chassis for industrial biotechnology: biology, physiology and too. Journal of Applied Microbiology. Volume 119 (1) ,1–10.
- Makarova, K.S., Aravind, L. et al. (2001) Genome of the extremely radiation-resistant bacterium Deinococcus radiodurans viewed from de perspective of comparative genomics. Molecular Microbiology 65(1), 44–79.
- Minton, K.W. (1994). D.repair in the extremely radioresistant bacterium Deinococcus radiodurans. Molecular Microbiology 13(1), 9-15.
Othani, N., Tomita, M., Itaya, M. (2010). An extreme Thermophile, Thermus thermophilus, is a polyploid bacterium. Journal of Bacteriology. Vol 192, No, 20. 5499-5505.
- Saito, T., Ohyama, O. et al (1998). A carotenoid pigment of the radioresistant bacterium Deinococcus radiodurans. Microbios Journal. Vol. 95, nº 381, 79-90.
- White, O; Eisen, J.A. et al. (1999).Genome sequence of the radioresistant bacterium Deinococcus radiodurans R1. Science 286 1571–1577.
El treball està bé en línies generals. Hi ha alguns aspectes a millorar. Per exemple, podeu citar quin tipus de pigment vermell tenen els bacteris i si són importants per la protecció a l’exposició a la radiació UV. Caldria que els peus de figura tinguessin una mida de lletra una mica més petita per diferenciar-los de la resta del text. Parleu de la resistència del bacteri a la radiació, però no doneu valors de dosis de radiació per comparar amb altres organismes més complexos com els humans.
ResponEliminaSeria interessant que mostréssiu particularitats del bacteri que poden estar relacionades amb la resistència a la radiació com l’estructura de la paret cel.lular. Com està organitzada i quina composició té, l’organització del cromosoma (si hi ha proteïnes especials pel seu compactament), contingut de G+C en el genoma, etc.... Cal que acompanyeu l’explicació dels mecanismes de reparació amb gràfics on es mostri l’activitat de recA i d’altres enzims implicats en el sistema de reparació. Per exemple, hi ha altres proteïnes específiques per eliminar radicals reactius d’oxigen (ROS, reactive oxygen species)?. Estan aquestes proteïnes codificades en un operó o un reguló?. Quin tipus de regulació gènica hi ha en Deinococcus?. Les Conclusions són molt generals i repetitives. Cal que estiguin fonamentades en una valoració personal vostra a partir dels continguts del treball, però no per això que siguin una simple repetició del que ja s’ha dit abans. Comenteu la utilització de Deinococcus per la bioremediació, però en el treball no doneu cap exemple d’aquesta aplicació. En el text del treball podeu citar algun estudi on es demostri en quines condicions es pot utilitzar i després a les conclusions fer una valoració de la seva aplicabilitat.
(Pregunta Avaluable):
ResponEliminaCom és que Deinococcus radiodurans sobreviu a unes condicions a les que mai es troba? Comenteu que l'origen d'aquesta resistència podria estar lligat a les adaptacions a la dessecació que provoca danys en el DNA, similars als de l’exposició a alts nivells de radiació. Però, perquè haurien de necessitar aquesta resistència que requereix una eficaç reparació del DNA si no es troben mai en nivells de radiació tant elevats? Només per la dessecació? Tan similar és aquesta resistència, respecte les radiacions? És a dir, es troben en condicions tan extremes de dessecació com per tal d'adquirir aquesta resistencia tan similar i poder combatre les radiacions ionitzants tan elevades? És possible que hagues adquirit aquesta resistencia per condicions passades?
Ariadna Montemar
Efectivament, com tu dius, la resistència a la radiació es pot considerar una característica derivada de l'adaptació a la dessecació. L'estrès hídric pot causar danys al DNA molt similars que els que causa la radiació, i per tant la resistència a un d'aquests dos factors pot proporcionar resistència per a l'altre.
EliminaCom es diu al text, és molt més probable que Deinococcus radiodurans hagi adquirit primer adaptacions per a medis molt secs i això hagi comportat una resistència a la radiació que no al revés.
(Pregunta avaluable)
ResponEliminaHeu comentat que Deinococcus radiodurans ha estat modificat genèticament per a la biorremediació en zones afectades per metalls pesants i dissolvents. Exactament, quins han estat aquests canvis genètics i com s’han realitzat?
Anna Miralles Alvarez
S'ha utilitzat un clonatge del gen de resistència al mercuri (merA)de la soca BL308 d'Escherichia coli per transformar una soca competent de Deinococcus per a que l'incorpori al seu genoma, utilitzant diferents vectors. Pots obtenir més informació seguint la referència a l'estudi on es realitza (Brim, H., McFarlan S.C. et al, 2000).
Elimina(Pregunta avaluable)
ResponEliminaEn quant a les diverses aplicacions d’aquest bacteri, com és possible que un bacteri que com a característica rellevant té la resistència a la radiació, pugui ser útil en la industria dels biocombustibles?
Sofia Quintana.
Les soques amb les quals treballa Deinove són del gènere Deinococcus spp, però no especifiquen amb quina espècie en concret treballen. Tot i així sembla ser que quasi totes les espècies de deinococcus presenten resistència a la radiació o a altes tipus d' estressos. En La soca del projecte Deinol de Deinove, la resistència al estres químic sembla ser la característica rellevant. Aquí tens més informació sobre Deinol:
Eliminahttp://www.deinove.com/en/programmes-applications/deinol
Preguna avaluable
ResponEliminaCom heu dit, aquesta resistència és deguda a un conjunt de característiques morfològiques, però aquestes característiques es podrien passar a altres organismes de manera natural? a traves de virus o plasmidis per exemple?
Gerard Godoy Tena
No hi ha cap estudi important en què s'hagi demostrat que es poden transferir aquestes característiques a altres microorganismes. Probablement és degut a que es tracta de molts gens implicats que es troben separats en el genoma i és difícil que es transfereixin tots junts. Tampoc es coneix si alguns d'aquests gens per ells mateixos actuarien de manera eficient en un altre bacteri.
EliminaPregunta avaluable:
ResponEliminaHeu comentat que un dels factors que intervé en la resistència a les radiacions ionitzants i UV és la seva pigmentació, el pigment carotenoide. Aleshores, es podria dir que altres productes que també tinguin aquest pigment, com per exemple la pastanaga, presenten resistència a les radiacions?
Júlia Plaja Canyet
De fet, la pastanaga es troba enterrada al sòl i no necessita protegir-se de la radiació UV, i segurament, encara que sigui un pigment carotenoide, no es tracta del mateix pigment que el de la pastanaga.
EliminaD'altra banda, si el pigment de la pastanaga presenta activitat antioxidant sí podria proporcionar resistència a la radiació.
Pregunta avaluable:
ResponEliminaEs comenta que el manganès és un possible factor alhora de resitir la radiació. Es sap per quin mecanisme augmenta la resistència o si s'han realitzat probes amb altres microorganismes per veure si el manganès resulta efectiu com a prevenció dels efectes nocius de la radiació?
Laura Clapés
Tal i com expliquem en el text, l'acumulació de complexos de manganès eviten la producció d'agents reactius oxidatius depenents del ferro. La presència d'aquest metall més que protegir el DNA el que fa és facilitar la seva reparació, ja que aquesta és la principal estratègia que té D. Radiodurans per fer front a altes radiacions.
EliminaEn l'actualitat s'estan estudiant les posibles aplicacions d'aquest metall en altres organismes per tal de que aquests també adquireixin la radioresistència. Els resultats encara no són gaire concluents, però ja s'estan fent estudis amb E.Coli. En un futur això podria tenir rellevància en la radioterapia per tal de minimitzar els seus danys.
S'han comentat els mecanismes per a la resistència a les radiacions que presenta el bacteri Deinococcus radiodurans. Dins l'apartat de reparació per escissió, s'ha esmentat que la principal diferència amb la resta de bacteris és que la proteïna UvrA és molt més sensible, i per tant pot detectar més lesions en un temps menor. La meva pregunta és, si la proteïna UvrA és la mateixa que en bacteris com E.coli, quina és l'explicació que sigui més sensible a les lesions que pateix el DNA? Aquesta proteïna en Deinococcus radiodurans té algun tipus de petita mutació? O la proteïna és exactament la mateixa i tot ve causat per reaccions químiques que alteren la seva funcionalitat?
ResponEliminaMoltes gràcies.
L'autor ha eliminat aquest comentari.
EliminaEvidentment no és la mateixa proteïna -encara que rebi la mateixa denominació-, sinó que una petita variació a la seva seqüència li proporciona una major efectivitat respecte a les variants presents en altres bacteris. Com molt bé has comentat segurament és degut a una petita mutació, que evolutivament es deu haver seleccionat positivament, ja que afavoreix la resistència de Deinococcus radiodurans.
EliminaAvaluable:
ResponEliminaQuan heu parlat de la presència de manganès al bacteri heu dit que l'acumulació d'aquest evita la producció d'agents reactius oxidatius i conseqüentment protegeix l'activitat enzimàtica, però com es relaciona això exactament amb la protecció a la radiació?
També heu esmentat que redueix la quantitat de metalls pesants, així doncs aquest bacteri és capaç de degradar metalls com el mercuri?
Tenint en compte que fa milions d'anys no hi havia l'atmosfera actual al planeta Terra i que hi entraven més directament els rajos UV, se sap si la peculiaritat de resistir a les radiacions d'aquest bacteri podrien ser un factor evolutiu i clau en la investigació de l'inici de la vida del planeta?
Per últim, si són tant resistens a la dessecació i a la radiació, quin és el mecanisme que s'utilitza normalment al laboratori per tal d'eliminar-los?
Moltes gràcies.
La radiació, com la dessecació extrema, pot generar un estrès sobre la cèl·lula formant aquests compostos tant reactius. Part de la resistència a la radiació consisteix en aconseguir mètodes per a frenar la producció d'aquests agents oxidatius.
EliminaDeinococcus radiodurans pot reduïr la presència de metalls com el mercuri al medi, però no en concentracions molt elevades. Per a fer-ho hi ha estudis sobre la transformació d'aquest bacteri amb un gen de resistència al mercuri de E. coli (Brim, H., McFarlan S.C. et al, 2000).
Aquest és un bacteri bastant evolucionat, i és poc probable que tingui cap relació amb l'inici de la vida. Les formes de vida que hi havia llavors van començar a originar-se als oceans, que ja els oferien la protecció necessària.
Normalment no s'utilitza cap mecanisme específic per a eliminar-lo, ja que és pràcticament inofensiu i la majoria de vegades passa inadvertit. Si fos necessari es podria provar d'eliminar-lo amb àcids o bases molt forts.