Los hongos utilizan el "botón de inicio" para el hielo de las bacterias
Las proteínas recién identificadas podrían ser importantes para la crioconservación, el procesado de alimentos y la producción de nieve
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Un equipo internacional de investigación dirigido por Konrad Meister, del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros, perteneciente al departamento de Mischa Bonn, ha identificado una nueva clase de proteínas formadoras de cristales de hielo en hongos inferiores. El estudio demuestra que los hongos de la familia Mortierellaceae utilizan un modelo genético que procede de las bacterias. Sin embargo, a diferencia de las bacterias, los hongos utilizan el gen para formar proteínas hidrosolubles. Esta adaptación estructural explica la gran estabilidad y eficacia de la formación de hielo por parte de los hongos. Según los investigadores, las proteínas fúngicas son prometedoras para aplicaciones en el campo de la tecnología de congelación.
El agua se congela a 0 °C, al menos según los libros de texto. Pero en condiciones ideales, el agua pura permanece líquida hasta una temperatura de -40 °C. Basta entonces una pequeña sacudida o una partícula de polvo para que el líquido se convierta brusca y repentinamente en hielo. Algunos tipos de bacterias también son buenas formadoras de hielo porque producen proteínas especiales que favorecen la congelación a temperaturas en torno a 0 °C. Por ejemplo, las proteínas de la bacteria Pseudomonas syringae hacen que el agua se congele mejor que cualquier otro material conocido. Este tipo de proteínas nucleadoras del hielo no sólo se encuentran en las bacterias, sino también en algunos hongos. Mientras que la estructura de las proteínas bacterianas ha sido bien estudiada, la de los hongos seguía sin estar clara hasta ahora.
El equipo internacional dirigido por Konrad Meister, del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros, describe por primera vez una nueva clase de proteínas nucleadoras de hielo de la familia de hongos Mortierellaceae. Esta familia pertenece a los hongos inferiores, entre los que también se encuentran las levaduras. El trabajo se llevó a cabo en colaboración con investigadores del Instituto Max Planck de Química y colegas estadounidenses, entre ellos Boris Vinatzer, de Virginia Tech.
Para descubrir la estructura de las proteínas fúngicas, los investigadores secuenciaron los genomas de hongos activos en el hielo aislados de muestras de agua y líquenes recogidas en expediciones polares anteriores. Al hacerlo, descubrieron genes estrechamente relacionados con un gen ya conocido de bacterias activas en el hielo como Pseudomonas syringae: El gen InaZ es la plantilla para fabricar proteínas de nucleación del hielo.
Transferencia de genes entre especies
Sin embargo, durante el análisis estructural, los investigadores descubrieron diferencias significativas. A diferencia de las proteínas bacterianas, que deben estar incrustadas en una membrana para funcionar, las proteínas fúngicas son hidrosolubles e inusualmente estables.
Basándose en análisis filogenéticos -es decir, análisis del origen de un gen-, el equipo llegó a la conclusión de que lo más probable es que el gen InaZ se transfiriera de bacterias a un ancestro fúngico a través de las especies en un pasado lejano. En lugar de desarrollar la nucleación del hielo de forma independiente, los hongos adoptaron un rasgo muy eficaz de las bacterias y lo adaptaron a sus propios requisitos fisiológicos.
"Es un poco igual y a la vez diferente", afirma Rosemary Eufemio, investigadora de la Universidad Estatal de Boise (EE.UU.). "Los hongos utilizan la misma arquitectura de secuencias repetitivas que las bacterias para sus sitios de formación de hielo, pero los han hecho más solubles y estables, lo que probablemente beneficia su función ecológica".
Para demostrar que los genes fúngicos identificados son efectivamente la plantilla de las proteínas nucleadoras de hielo, el equipo de investigación transfirió dos de los genes identificados a levaduras y bacterias no hielíferas. Los microorganismos modificados pasaron a ser hieloactivos, lo que confirmó la conexión funcional.
Posibles aplicaciones en crioconservación
Además de la importancia biológica del descubrimiento, Konrad Meister, del MPI de Investigación de Polímeros, también ve aplicaciones prácticas concretas en tecnologías basadas en la congelación controlada. "Las proteínas solubles nucleadoras de hielo son más fáciles de aislar, manipular e integrar en formulaciones y procesos tecnológicos que las unidas a membranas. Esto abre nuevas posibilidades para la congelación controlada en la criopreservación de células y órganos, el procesado de alimentos y la producción de nieve."
Nucleación del hielo: Propiedades e importancia
La capacidad de nucleación del hielo -es decir, de formar núcleos de hielo de forma selectiva- tiene una gran importancia evolutiva para determinados microorganismos. Les proporciona ventajas de supervivencia, especialmente en la atmósfera. Cuando se forma hielo en las nubes, las gotitas congeladas caen a la tierra en forma de precipitaciones. "Esto permite que las bacterias y las esporas de hongos se transporten a grandes distancias y lleguen a nuevos hábitats como superficies vegetales, suelos u otras regiones geográficas", explica la bióloga e investigadora del sistema terrestre Janine Fröhlich, del Instituto Max Planck de Química.
Un ejemplo bien conocido es Pseudomonas syringae, que suele encontrarse en las hojas de las plantas. Al provocar la formación de hielo en las células de las hojas, causa daños por heladas. Esto provoca la salida de la savia de la planta, que sirve como fuente de nutrientes para las bacterias; en otras palabras, dañan deliberadamente la planta para alimentarse.
Además, las bacterias nucleadoras de hielo tienen una importancia climática: se encuentran entre los desencadenantes naturales más eficaces de la formación de hielo en las nubes y, por tanto, pueden influir en las precipitaciones, los fenómenos meteorológicos y el ciclo global del agua.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Rosemary J. Eufemio, Mariah Rojas, Kaden Shaw, Ingrid de Almeida Ribeiro, Hao-Bo Guo, Galit Renzer, Kassaye Belay, Haijie Liu, Parkesh Suseendran, Xiaofeng Wang, Janine Fröhlich-Nowoisky, Ulrich Pöschl, Mischa Bonn, Rajiv J. Berry, Valeria Molinero, Boris A. Vinatzer, Konrad Meister; "A previously unrecognized class of fungal ice-nucleating proteins with bacterial ancestry"; Science Advances, Volume 12
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