Aplicaciones Capa S en Archeas y Bacterias

Universidad San Francisco de Quito
Microbiología Aplicada
Aplicaciones biotecnológicas de la Capa S


Gabriela Vásconez , Sebastián Andrade, Estefanía Proaño

1) Composición de Capa S y caracterización de proteínas relacionadas

Ciertos géneros de Bacteria y prácticamente todos los representantes de Archaea presentan la denominada Capa S como la envoltura más superficial que rodea a la célula. Capa S es el diminutivo para el nombre "capa superficial paracristalina", cuya configuración consta principalmente de glicoproteínas y subunidades de proteínas (Claus, 2005). La conformación estructural provoca claras simetrías, siendo la hexagonal y la trimétrica las más comunes (Sara, 2006).
Las funciones de la Capa S son variadas, desde el brindar resistencia frente a una lisis celular espontanea (contrafuerte estructural), hasta selectivilidad en la entrada y salida de moléculas y compuestos (parecida a la función de las membranas lipídicas internas), gracias a la presencia de proteínas próximas a la cara externa de la célula (Pum, 2000).
El aumento en el interés sobre las características especificas y el comportamiento químico de las proteínas propias de la Capa S ha conducido al desarrollo de varios experimentos. Al aislar tales proteínas, estas son capaces de rejuntarse en "conjuntos cristalinos monomoleculares", recristalizándose como liposomas o membranas planas (Cremer, 2004). Esta predisposición al reensamblaje y la unión en "bloques ordenados" son potenciales aplicaciones al desarrollo de sistemas de control de macromoléculas funcionales, por ejemplo biosensores, estabilización de membranas lipídicas funcionales, biocatalisis, funcionalización de liposomas, sistemas de encapsulación, etc. (Mader, 2004).
La base para estos estudios es la biomimética. La biomimética busca la utilización de modelos biológicos para mejorar la tecnología, debido a que las estructuras presentes en la naturaleza poseen un óptimo funcionamiento que las mejores máquinas diseñadas por el hombre (Cohen, 2006). Parte importante de la biomimética yace en buscar estructuras con la capacidad de repararse y regenerarse al igual que las células en la naturaleza (Cremer, 2004).
Las proteínas que componen la capa paracristina son estructuralmente iguales, por lo que se descarta el engranaje de diversos tipos de proteínas. La cara más lisa se encuentra hacia la cara externa, por otro lado, la cara rugosa encara el lado interno (Claus, 2005). La estructura secundaria de las proteínas indica que el 20% de los aminoácidos se encuentran organizados en hélices alfa y 40% en láminas beta (Diederich, 1996).
2) Aplicaciones biotecnológicas de componentes
Las estructuras de los péptidos activos en la Capa S han ayudado al desarrollo de nuevas técnicas dentro de la biotecnología, como es el modelamiento de biosensores. Sin embargo, esta primera aplicación impone el reto crucial en mantener una constante y equilibrada cantidad de iones a los dos lados de la membrana (Mignot, 2002). Primeramente, por definición, un biosensor es un sistema que utiliza principios físico-químicos para cuantificar parámetros biológicos por medio de conjuntos biológicos, en este caso membranas lipídica (Beveridge, 1993). Se ha comprobado que la Capa S funciona como una capa ultradelgada que estabiliza y mantiene la fluidez y el equilibrio de componentes e iones para el correcto funcionamiento de biosensores, aparte de proporcionar cualidades anti-desnaturalizantes para las moléculas relacionadas (Sleytr, 2003) Estas características han sido estudiadas prioritariamente con biomimesis de la Capa S en Archaea, a causa de su historia evolutiva en ambientes extremos, lo que ha resultado en el desarrollo de proteínas firmemente embebidas en la membrana celular, que presentan buenas cualidades estabilizantes (Wren, 2001).
Las proteínas de fusión rSbpA/ cABben de la Capa S, en un estudio realizado por Pleschberger (2003) fueron recristalizadas en microchips de oro siendo reordenadas en capas sensibles nanosecuenciadas. El principal propósito de dicho aislamiento es el modelamiento de un sistema de destoxificacion, aplicado a la purificación de la sangre fuera de sistemas vivos (Pleschberger, 2003). La funcionalidad de este proceso radica en la incorporación de dos copias de Z-domain (anticuerpos miméticos) que recristalizan polímeros con morfología de microperlas y al ser biocompatibles, aíslan compuestos concordantes (Vollenkle, 2004).
Dentro del campo de la medicina, las propiedades inmuno-modulatorias de las proteínas "chimeric" de la Capa S son usadas como tratamientos específicos en alergias (Claus, 2005). Para ello se genera una matriz de afinidad universal que ligua cualquier tipo de biomolecula, con ayuda de la cadena de aminoácidos estreptavidina (Huber, 2006). Aparte de ello, por lo menos 1/3 del material genético de las células está destinado para el ensamblaje de proteínas, poros, enzimas, receptores, etc. relacionados directamente con la Capa Superficial Paracristalina (Sigworth, 2005), y por lo tanto 60% del antibiótico actúa sobre la membrana.
La estreptavidina tiene una estructura tetrámera, lo que facilita el desarrollo de proteínas configuradas en microchips (muy requeridos en la nanotecnología). Esto se debe a la regeneración de la superficie funcional del sensor que genera la recristalización tetrámera de los chips (Huber, 2006).
Otra aplicación es el análisis de precipitación de iones metálicos en la Capa S. La precipitación de metales está directamente relacionada con los poros de la membrana, por lo que se puede extrapolar las características y la morfología del poro por medio de las partículas (Chauvaux, 2000). Gracias a ello, en el campo de la biomineralizacion se puede manipular la morfología de nanopartículas por medio de su cruce por los poros de la membrana. Todavía mas importante, se ha registrado que enzimas especificas pueden atraen a partículas metálicas en específico, lo que crea fuerzas covalentes de atracción, de gran uso en atracción electrostáticas y partículas semiconductoras (Sigworth, 2005).
3) Aplicaciones biomiméticas del paso de iones en la Capa S en Archaea
Existen variadas aplicaciones biomiméticas de los componentes estructurales de Archaea, siendo una importante la biomimética de lípidos, para la cual se estudian las propiedades eléctricas y estructurales de los compuestos que forman la Capa S. Se estudiaron varios lípidos y sus propiedades, en primera instancia para desarrollar una capa lipídica que pueda regenerarse, además se buscaba la presencia de poros estructurales, que pueden tener funciones en investigaciones o desarrollo tecnológico a futuro (Damiati, 2015).
Se ha observado que la plataforma biomimética SsLM logra un sellado eléctrico que permite examinar el flujo de iones a través de funciones de membrana incorporadas. Lamentablemente todavía no se ha podido reconstruirla transmembrana α-hemolisina debido a ausencia poros en el SsLM por el aumento en la resistencia de la membrana, por lo que la reconstrucción de proteínas grandes es aún limitado (Damiati, 2015).
Para poder avanzar con el desarrollo de estos tipos de membranas se requeriría conocer más sobre su reconstrucción, lo que permitiría el desarrollo de tejidos para recuperación de órganos sensoriales, por su capacidad de tener varias proteínas receptoras expuestas al mismo tiempo, o incluso en el desarrollo de biosensores que utilizan péptidos y proteínas como respuesta a diferentes estímulos (Damiati et al, 2015).
En conclusión, la estructura lipidica, estable, y semifluida de la Capa S ha proporcionado varios modos de estudio en campos que interrelacionan la microbiología y biología con aplicaciones tecnológicas. El foco de interés está en la actualidad concentrado en la purificación y aislamiento de proteínas relacionadas a la Capa S. Lo atrayente de estos estudios es la capacidad que tienen estas proteínas de formar pequeñas unidades funcionales y transformarlas a sistemas funcionales de macroescala. Es así como la biomimetica pretende copiar en un nivel macromolecular el funcionamiento de la Capa Paracristalina y utilizarlo en la estabilización de membranas lipidicas para aplicaciones en biosensores. La manipulación genética de las proteínas en la capa S es otro campo nuevo en la investigación biotecnológica.
Bibliografía

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