Deinococcus radiodurans

Deinococcus radiodurans é unha especie de bacteria extremófila, que é extraordinariamente resistente ás radiacións. Ademais, pode resistir ao frío, á deshidratación, ao baleiro e aos ácidos, polo que se considera un poliextremófilo e considérase un récord de resistencia entre as bacterias.

 Nome e clasificación 
O seu nome deriva do grego δεινός (deinos) e κόκκος (kokkos) que significa "terrible gran/baga" e do latín radius e durare, que significa "sobrevivir á radiación". A especie foi inicialmente chamada Micrococcus radiodurans.

Mais despois de examinar as súas secuencias de ARNr e outras evidencias a especie foi pasada do xénero Micrococcus a un xénero propio, Deinococcus, que está moi relacionado co xénero Thermus de bacterias resistentes á calor; ambos os dous pertencen ao grupo Deinococcus-Thermus.

Deinococcus é un xénero da orde Deinococcales. D. radiodurans é a especie tipo do seu xénero, e a mellor estudada. Todos os demais membros do xénero son tamén radiorresistentes: D. proteolyticus, D. radiopugnans, D. radiophilus, D. grandis, D. indicus, D. frigens, D. saxicola, D. marmoris, D. deserti, D. geothermalis e D. murrayi; os dous últimos son tamén termófilos.

 Historia 
D. radiodurans descubriuno en 1956 Arthur W. Anderson na Estación Experimental Agrícola de Oregón. Alí estaban a realizarse experimentos para determinar se a comida enlatada podía ser esterilizada usando altas doses de radiación gamma. Unha lata de carne foi exposta a unha dose de radiación que se pensaba que mataría a toda forma de vida, pero a carne estragouse e dela foi illada D. radiodurans.

A secuencia xenómica completa de D. radiodurans publicouna en 1999 TIGR. En 2001 publicouse unha anotación e análise detallada do seu xenoma. A cepa secuenciada foi a ATCC BAA-816.

 Descrición 
D. radiodurans é unha bacteria esférica bastante grande, cun diámeto de 1,5 a 3,5 µm. Normalmente agréganse catro células formando unha tétrade. Son bacterias doadas de cultivar e non causan doenzas. As súas colonias son suaves, convexas, e de cor de rosa a vermello (ten carotenoides). Son grampositivas, aínda que a súa envoltura celular é infrecuente e pode considerarse unha reminiscencia dunha prede celular de bacteria gramnegativa.

D. radiodurans non forma endósporas e non é móbil. É un aerobio obrigado quimioorganoheterótrofo, é dicir, utiliza o oxíxeno para obter enerxía de compostos orgánicos que atopa no seu ambiente. Atópase a miúdo en hábitats ricos en materia orgánica, como o solo, feces, carne, ou augas residuais, pero foi tamén illado en alimentos secos, po das casas, instrumentos médicos e tecidos.

É extremadamente resistente á radiación ionizante, luz ultravioleta, desecamento, e a axentes oxidantes e electrófilos.Slade D, Radman M. (2011). Oxidative stress resistance in Deinococcus radiodurans. Microbiol Mol Biol Rev 75(1):133-91. doi: 10.1128/MMBR.00015-10. Review. PMID 21372322

O seu xenoma consta de dous cromosomas circulares, un de 2,65 millóns de pares de bases e o outro de 412.000 de pares de bases, e un megaplásmido de 177.000 pares de bases e un plásmido máis pequeno de 46.000 pares de bases. Ten uns 3.195 xenes. Na súa fase estacionaria, cada célula bacteriana contén catro copias deste xenoma; pero cando a bacteria se multiplica rapidamente, cada bacteria contén de 8 a 10 copias do xenoma.

 Resistencia á radiación ionizante 
D. radiodurans pode soportar unha dose aguda de 5.000 Gy (500.000 rad) de radiación ionizante sen case perder viabilidade, e unha dose aguda de 15.000 Gy cun 37% de viabilidde.Murray RGE. 1992. The family Deino- coccaceae. In The Prokaryotes, ed. A Ballows, HG Truper, M Dworkin, W Harder, KH Schleifer 4:3732–44. New York: Springer-Verlag Unha dose de 5.000 Gy crese que causa varios centos de roturas de dobre cadea no ADN do organismo (~0,005 DSB/Gy/Mbp (xenoma haploide)). En comparación, unha radiografía de tórax ou unha misión Apollo á Lúa supón 1 mGy, e 5 Gy poden matar a un humano, e 200-800 Gy matarían á bacteria E. coli, e uns 4.000 Gy matarían aos tardígrados resistentes á radiación. A súa resistencia pode utilizarse para illalo, xa que tratando unha mostra con altas doses de radiación, morren as outras bacterias, incluídas as endósporas, e só queda o deinococo.

Coñécense varias bacterias cunha radiorresistencia comparable, como algunhas especies do xénero Chroococcidiopsis (do filo das cianobacterias) e algunhas especies de Rubrobacter (do filo das actinobacterias); e entre as arqueas, a especie Thermococcus gammatolerans presenta unha radiorresistencia similar. Deinococcus radiodurans ten tamén a exclusiva capacidade de reparar o seu ADN moi danado pola radiación. Illa os segmentos de ADN danados nunha área controlada e repáraos. Esta bacteria pode tamén reparar moitos pequenos fragmentos dun cromosoma completo.Clark, D.P., Dunlap, P.V., Madigan, M.T., Martinko, J.M. Brock Biology of Microorganisms. San Francisco: Pearson. 2009. 281 p.

 Mecanismos de resistencia á radiación ionizante 
Deinococcus é resistente á radiación porque ten múltiples copias do seu xenoma e mecanismos rápidos de reparación do ADN. Xeralmente repara as roturas nos seus cromosomas en só de 12 a 24 horas por medio dun proceso en dous pasos. Primeiro, D. radiodurans reconecta algúns fragmentos cromosómicos por un proceso chamado annealing de ADN monocatenario. No segundo paso, diversas proteínas reparan as roturas de dobre febra do ADN por recombinación homóloga. Este proceso non introduce máis mutacións que as que introduciría unha rolda normal de replicación.

Ae análises feitas con microscopio electrónico de varrido mostran que o ADN de D. radiodurans está organizado en toroides moi empaquetados, o cal pode facilitar a reparación do ADN.

Un equipo de investigadores croatas e franceses liderado por Miroslav Radman bombardeou con radiacións a D. radiodurans para estudar o seu mecanismo de reparación do ADN. Orixinaron así moitos fragmentos do seu xenoma para estudaren o mecanismo de reparación das roturas de dobre febra do ADN nese organismo. Atoparon un novo mecanismo de reparación, chamado "annealing de febras dependente de síntese estendida" (ou ESDA, do inglés extended synthesis-dependent strand annealing), no cal cómpren polo menos dúas copias do xenoma, con roturas aleatorias no ADN. Os fragmentos con homoloxías que se solapan utilízanse para sintetizar as febras complementarias que faltan, o que é catalizado pola ADN polimerase I, que estende a febra máis do normal. Os fragmentos así formados teñen a particularidade de que presentan extremos cohesivos, que facilmente poden facer o annealing e unirse a outros fragmentos complementarios de ADN do conxunto, orixinando fragmentos intermediarios máis grandes. No paso final para formar cromosomas circulares hai un sobrecruzamento por medio de recombinación homóloga dependente de RecA.

D. radiodurans pode experimentar transformación xenética, un proceso polo cal o ADN procedente dunha célula pode ser captado por outra e integrado no xenoma receptor por recombinación homóloga. Cando se introducen no ADN do doante danos no ADN (por exemplo, dímeros de pirimidina) por irradiación UV, as células receptoras reparan eficazmente os danos no ADN transformante igual que o fan no ADN celular cando as propias células son irradiadas.

Michael Daly suxeriu que a bacteria usa complexos de manganeso como antioxidantes para protexerse contra os danos por radiación. En 2007 o seu equipo mostrou que os altos niveis intracelulares de manganeso(II) en D. radiodurans protexen as proteínas da oxidación causada pola radiación, e propuxeron a idea de que "as proteínas, en vez do ADN, son os principais obxectivos da acción biolóxica da radiación ionizante en bacterias sensibles, e a extrema resistencia nas bacterias que acumulan Mn está baseada na protección das proteínas".

Para esta bacteria mesmo se propuxo unha orixe extraterrestre. Un equipo de científicos rusos e americanos propuxo que a radiorresistencia de D. radiodurans tiña unha orixe marciana. A evolución do microorganismo puido ter lugar na superficie marciana ata que chegou á Terra traído por un meteorito. Porén, á marxe da súa resistencia á radiación, Deinococcus é xenetica e bioquimicamente moi similar a outras formas de vida terrestre, o que é un forte argumento en contra da súa orixe extraterrestre.

En 2009, informouse que o óxido nítrico xoga un importante papel na recuperación da bacteria da exposición á radiación: este gas cómpre para a división e proliferación despois de que se reparan os danos no ADN. Describiuse un xene que incrementa a produción de óxido nítrico despois da exposición á radiación UV, e en ausencia deste xene, as bacterias aínda podían reparar os danos no ADN, pero non podían crecer.

 Evolución da resistencia á radiación ionizante 

Unha cuestión persistente en relación a D. radiodurans é como puido ter evolucionado un grao de radiorresistencia tan grande. Os niveis de radiación de fondo naturais son moi baixos (na maioría dos lugares están na orde de 0,4 mGy por ano, e o maior nivel de radiación de fondo coñecido, preto de Ramsar, Irán, é de só 260 mGy por ano). Con niveis naturais tan baixos, é improbable que nos organismos evolucionasen mecanismos para protexerse especificamente contra os efectos das altas radiacións.

Valerie Mattimore da Universidade do Estado de Louisiana suxeriu que a radiorresistencia de D. radiodurans é simplemente un efecto colateral dun mecanismo para soportar un estado prolongado de deshidratación. Para apoiar esta hipótese, realizou un experimento no cal demostrou que as cepas mutantes de D. radiodurans, que son moi susceptibles aos danos producidos por radiacións ionizantes son tamén moi susceptibles aos danos causados por un prolongado desecamento, mentres que as cepas de tipo salvaxe son resistentes a ambas as cousas. Ademais da reparación do ADN, D. radiodurans usa proteínas LEA (Late Embryogenesis Abundant) para protexerse contra o desecamento.

 Aplicacións 
Deinococcus foi modificado xeneticamente para o seu uso en biorremediación para que consumise e dixerise solventes e metais pesados, mesmo nun sitio moi radioactivo. Por exemplo, clonouse o xene bacteriano da mercurio(II) redutase de Escherichia coli dentro de Deinococcus para que este puidese detoxificar os residuos de mercurio iónico que se encontran frecuentemente nos residuos radioactivos xerados na fabricación de armamento nuclear. Desenvolveuse unha cepa de Deinococcus que pode detoxificar tanto mercurio coma tolueno en residuos radioactivos mesturados.

O Craig Venter Institute utilizou un sistema derivado dos mecanismos de reparación rápida de ADN de D. radiodurans para ensamblar fragmentos de ADN sintéticos en cromosomas, co obxectivo último de producir un organismo sintético que chamaron Mycoplasma laboratorium.Craig Venter's TED talk  (February 2005) mentions D. radiodurans as the ultimate genome assembly machine

En 2003, científicos estadounidenses demostraron que D. radiodurans podía utilizarse como un medio de almacenamento de información, que podería sobrevivir a unha catástrofe nuclear. Traduciron a canción "It's a Small World" nunha serie de segmentos de ADN de 150 pares de bases, inseriron estes na bacteria, e puideron recuperalos sen erro ao cabo de 100 xeracións bacterianas. Porén, como só se pode almacenar unha pequena cantidade de información no ADN de D. radiodurans, tiñan que crear varias especies, cada unha das cales levaba unha parte diferente da canción, e as especies tiñan que manterse segregadas ao longo do tempo. Se as especies están evolucionando xuntas, despois de certo número de xeracións certas especies faranse dominantes e outras acabarán extinguíndose e con elas desaparecería parte da mensaxe almacenada.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Radiación de fondo
 Reparación do ADN
 Extremófilo
 Fungo radiotrófico
 Rubrobacter
 Thermococcus gammatolerans

 Ligazóns externas 
 páxina do microbioda semana na University of Missouri-Rolla
 Taxonomía de Deinococcus
 Publicacións descargables de D. radiodurans
 Xenoma de Deinococcus radiodurans
 Coñeza Conan a Bacteria -- Un humilde microbio podería converterse no turista (espacial) accidental
 Deinococcus-Thermus: Adaptacións a ambientes de "case fóra deste mundo" -- proxecto Tree of Life 

Categoría:Extremófilos
Categoría:Deinococcales
Categoría:Reparación do ADN