Microcompartimento bacteriano

Os microcompartimentos bacterianos (MCB ou BMC, do inglés bacterial microcompartments) son orgánulos que constan dunha cuberta proteica que encerra certos encimas e outras proteínas. Estes microcompartimentos son xeralmente duns 40 a 200 nanómetros de diámetro e están feitos enteiramente de proteínas. A función das cubertas é similar á dunha membrana, xa que son selectivamente permeables. Outros compartimentos baseados en proteínas que se encontran en bacterias e arqueas son os nanocompartimentos de encapsulina e as vesículas de gas. Os eucariotas teñen tamén orgánulos proteináceos como o complexo da bóveda.

 Descubrimento 

Os primeiros microcompartimentos bacterianos observáronse na década de 1950 en micrografías electrónicas de cianobacterias, e foron posteriormente denominados carboxisomas unha vez que se estableceu o seu papel na fixación do carbono. Ata a década de 1990, os carboxisomas considerábanse unha rareza exclusiva de certas bacterias autótrofas. Pero despois identificáronse xenes que codificaban proteínas homólogas ás da cuberta do carboxisonma nos operóns pdu (utilización do propanodiol) e eut (utilización da etanolamina). Seguidamente, micrografías electrónicas de células de Salmonella que crecían con propanodiol  ou etanolamina  mostraron a presenza de corpos poliédricos similares aos carboxisomas. O termo metabolosoma utilízase para referirse a estes compartimentos bacterianos catabólicos (en contraste co carboxisoma autótrofo).

Aínda que o carboxisoma e os compartimentos que utilizan o propanodiol (PDU) e a etanolamina (EUT) encapsulan diferentes encimas e, por tanto, teñen distintas funcións, os xenes que codifican as proteínas da cuberta son moi similares. A maioría dos xenes (que codifican as proteínas da cuberta e os encimas encapsulados) de compartimentos bacterianos caracterizados experimentalmente están localizados uns xunto aos outros en determinados loci xenéticos ou operóns. Actualmente lévanse secuenciado uns 20 000 xenomas bacterianos, e poden utilizarse métodos bioinformáticos para encontrar todos os xenes de cubertas de compartimentos bacterianos e observar cales son os outros xenes situados na súa veciñanza, o que orixinou unha lista de posibles compartimentos bacterianos. Recentemente un exame global identificou 23 loci que codificaban 10 compartimentos funcionalmente distintos en 23 filos bacterianos.

 Cubertas 

 Familias proteicas que forman as cubertas 

As cubertas dos microcompartimentos bacterianos (BMC) son icosaédricas ou case icosaédricas, e están formadas por subunidades proteicas (pseudo)hexaméricas e pentaméricas.

 A familia da proteína da cuberta dos microcompartimentos bacterianos 

Os principais constituíntes da cuberta dos microcompartimentos bacterianos son proteínas que conteñen dominios Pfam00936. Estas proteínas forman oligómeros que son de forma hexagonal e pénsase que forman as facetas da cuberta.

 Proteínas dun só dominio (BMC-H) 
As proteínas BMC-H, que conteñen unha soa copia do dominio Pfam00936, son os compoñentes máis abundantes das facetas da cuberta. Determináronse as estruturas cristalinas de varias destas proteínas, que mostraron que se ensamblan en hexámeros cíclicos, tipicamente cun pequeno poro no centro. Esta abertura propúxose que está implicada no transporte selectivo de pequenos metabolitos a través da cuberta.

 Proteínas de dominio en tándem (BMC-T) 

É un conxunto de proteínas de cuberta compostas de copias en tándem (fusionadas) do dominio Pfam00936 (proteínas BMC-T). As proteínas BMC-T caracterizadas estruturalmente forman trímeros que son de forma pseudohexamérica. Algunhas estruturas cristalinas de BMC-T mostran que os trímeros poden colocarse enfrontados. En ditas estruturas, un poro dun trímero está nunha conformación “aberta”, mentres que o outro está pechado, o que suxire que debería haber un mecanismo de hermeticidade que modula a permeabilidade dalgunhas cubertas de microcompartimentos. Outro conxunto de proteínas BMC-T contén un clúster [4Fe-4S], e pode estar implicada no transporte de electróns a través da cuberta do microcompartimento.

 A familia EutN/CcmL (BMC-P) 
Cómpren doce unidades pentagonais para tapar os vértices dunha cuberta icosaédrica. Resolvéronse as estruturas cristalinas de proteínas da familia EutN/CcmL (Pfam03319) e observouse que forman pentámeros (BMC-P). A importancia das proteínas BMC-P na formación das cubertas parece variar entre os diferentes microcompartimentos. Son necesarias para a formación da cuberta dos microcomprtimentos PDU xa que os mutantes nos cales foron eliminados os xenes das proteínas BMC-P non poden formar as cubertas, pero non para o alfa-carboxisoma: sen proteínas BMC-P, os carboxisomas aínda poden ensamblarse e moitos están alongados; estes carboxisomas mutantes parecen estar “furados” ou non ser estancos.

 Relación coas cápsides virais 

Aínda que as cubertas dos microcompartimentos bacterianos son similares en arquitectura a moitas cápsides virais, as proteínas de cuberta non teñen ningunhas homoloxía estrutural ou de secuencia coas proteínas das cápsides.

 Permeabilidade das cubertas 
Está ben establecido que dentro da cuberta dos microcompartimentos bacterianos están empaquetados encimas e que debe ter lugar certo grao de secuestro de cofactores e metabolitos. Porén, outros metabolitos e cofactores deben tamén poder cruzar a cuberta para que funcione o microcompartimento. Por exemplo, nos carboxisomas, a ribulosa 1,5-bisfosfato, o bicarbonato e o fosfoglicerato deben cruzar a cuberta, mentres que a difusión de oxíxeno e dióxido de carbono están aparentemente limitadas. De xeito similar, nos microcompartimentos PDU, a cuberta debe ser permeable ao propanodiol, propanol, propionil-fosfato e potencialmente tamén á vitamina B12, pero está claro que o propionaldehido está dalgún modo secuestrado para impedir que se dane a célula. Hai algunhas probas de que o ATP debe tamén cruzar algunhas cubertas de microcompartimentos bacterianos.

Propúxose que o poro central formado nas teselas de proteínas hexagonais da cuberta son os condutos a través dos cales difunden os metabolitos á cuberta. Por exemplo, os poros da cuberta do carboxisoma teñen unha carga positiva global, que se propuxo que atrae negativamente substratos cargados como o bicarbonato. Nos microcompartimentos PDU, os experimentos de mutaxénese mostraron que a proteína de cuberta PduA é a ruta utilizada polo substrato propanodiol para entrar. Para grandes metabolitos, parece que nalgunhas proteínas BMC-T hai un mecanismo de peche e apertura. No microcompartimento EUT, a apertura/peche do gran poro da proteína da cuberta EutL está regulada pola presenza do principal substrato metabólico, a etanolamina.

A presenza de clústeres de ferro-xofre nalgunhas proteínas de cuberta, seguramente no poro central, fixo que se suxerise que pode servir como conduto a través do cal poden transportarse electróns a través da cuberta.

 Tipos 

Un exame global recente de datos de secuencias de xenomas microbianos indicou unhas dez funcións metabólicas encapsuladas en cubertas de microcompartimentos. A maioría están implicados na fixación do carbono (carboxisomas) ou na oxidación de aldehidos (metabolosomas).

 Carboxisomas: fixación do carbono 

ningún|miniatura|460px|Micrografías electrónicas que mostran alfa-carboxisomas da bacteria quimioautótrofa Halothiobacillus neapolitanus: (A) dispostos dentro da célula, e (B) intactos despois do seu illamento. As barras de escala indican 100 nm.

Os carboxisomas encapsulan os encimas ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilase/oxixenase (RuBisCO) e anhidrase carbónica en bacterias que fixan o carbono como parte dun mecanismo de concentración de carbono. O bicarbonato bombéase ao citosol e difunde ao carboxisoma, onde a anhidrase carbónica o converte en dióxido de carbono, que é o substrato da RuBisCO. A cuberta do carboxisoma crese que só é escasamente permeable ao dióxido de carbono, o cal ten como resultado un incremento efectivo da concentración de dióxido de carbono arredor da RuBisCO, o que favorece a fixación do carbono. Os mutantes que carecen dos xenes que codifican a cuberta do carboxisoma presentan un fenotipo cunha alta demanda de carbono debido á perda de concentración de dióxido de carbono, o que ten como resultado un incremento da fixación de oxíxeno pola RuBisCO. Propúxose tamén que as cubertas restrinxen a difusión de oxíxeno, o que impide a actividade de oxixenase, reducindo a fotorrespiración malgastadora de enerxía.

 Metabolosomas: oxidación de aldehidos 

Ademais dos carboxisomas anabólicos, caracterizáronse varios microcompartimentos bacterianos catabólicos que participan no metabolismo heterótrofo por medio de aldehidos de cadea curta; estes denomínanse en conxunto metabolosomas.

Estes microcompartimentos bacterianos comparten unha química encapsulada común impulsada por tres encimas centrais: aldehido deshidroxenase, alcohol deshidroxenase e fosfotransacilase. Como os aldehidos poden ser tóxicos para as células ou volátiles, crese que están secuestrados dentro do metabolosoma. O aldehido é fixado inicialmente ao coencima A pola aldehido deshidroxenase dependente de NAD+, mais estes dous cofactores deben ser reciclados, xa que aparentemente non poden cruzar a cuberta. Estas reaccións de reciclaxe están catalizadas por unha alcohol deshidroxenase (NAD+), e unha fosfotransacetilase (coencima A), orixinando un composto acilo fosforilado que pode facilmente ser unha fonte para a fosforilación a nivel de substrato ou entrar no metabolismo central, dependendo de se o organismo está crecendo aeróbica ou anaerobicamente. Parece ser que a maioría, se non todos, os metabolosomas utilizan estes encimas centrais. Os metabolosomas tamén encapsulan outro encima que é específico para o substrato inicial do compartimento bacteriano, que xera o aldehido; este considérase o encima sinatura do compartimento bacteriano considerado.

 Microcompartimentos bacterianos PDU (PDU BMC) 

Algunhas bacterias poden utilizar o 1,2-propanodiol como fonte de carbono. Utilizan un microcompartimento bacteriano para encapsular varios encimas usados nesta vía (Sampson e Bobik, 2008). Un microcompartimento PDU (de utilización do propanodiol) está tipicamente codificado por un locus de 21 xenes. Estes xenes son suficientes para a ensamblaxe dos microcompartimentos bacterianos, xa que poden ser transplantados dun tipo de bacteria a outro, o que dá lugar a un metabolosoma funcional no organismo receptor. Este é un exemplo de bioenxeñaría que igualmente proporciona evidencias que apoian a hipótese do operón egoísta. O 1,2-propanodiol é deshidratado a propionaldehido pola propanodiol deshidratase, que necesita vitamina B12 como cofactor. O propionaldehido causa mutacións no ADN e por esa razón é tóxico para as células, o que posiblemente explica por que este composto está secuestrado dentro dun microcompartimento. Os produtos finais do microcompartimento PDU son propanol e propionil-fosfato, que é despois desfosforilado a propionato, xerando un ATP. O propanol e o propionato poden utilizarse como substratos para o crecemento.

 Microcompartimentos bacterianos EUT (EUT BMC) 

Os microcompartimentos EUT (de utilización da etanolamina) están codificados en moitos tipos de bacterias. A etanolamina é dividida en amoníaco e acetaldehido pola acción da etanolamina-amoníaco liase, que tamén require vitamina B12 como cofactor. O acetaldehido é bastante volátil, e os mutantes deficientes na cuberta do microcompartimento teñen un defecto no crecemento e liberan unha cantidade en exceso de acetaldehido. Propúxose que o secuestro do acetaldehido no metabolosoma impide a súa perda por volatilidade. Os produtos finais dos microcompartimentos EUT son etanol e acetil-fosfato. O etanol é probablemente unha fonte de carbono que se perde, pero o acetil-fosfato pode xerar ATP ou ser reciclado a acetil-CoA e entrar no ciclo de Krebs ou en varias vías biosintéticas.

 Microcompartimentos bacterianos PDU/EUT bifuncionais 
Algunhas bacterias, especialmente as do xénero Listeria, codifican un só locus no cal están presentes os xenes tanto para os microcompartimentos PDU coma EUT. Aínda non está claro se isto é un verdadeiro microcompartimento bacteriano quimérico cunha mestura de ambos os conxuntos de proteínas, ou se se forman dous compartimentos separados.

 Microcompartimentos bacterianos que conteñen encimas de radical glicil (GRM) 

Identificáronse varios loci de microcompartimentos bacterianos que conteñen encimas de radical glicil, que obteñen o radical catalítico a partir da clivaxe da S-adenosilmetionina. Un locus GRM de Clostridium phytofermentans está implicado na fermentación da fucosa e a ramnosa, que son degradadas inicialmente a 1,2-propanodiol en condicións anaerobias. Propúxose que o encima de radical glicil deshidrata o propanodiol a propionaldehido, que é despois procesado de maneira idéntica á dos compartimentos bacterianos PDU canónicos.

 Microcompartimentos bacterianos de Planctomycetes e Verrucomicrobia (PVM) 

Diferentes liñaxes de Planctomycetes e Verrucomicrobia codifican locus de microcompartimentos bacterianos. O locus de Planctomyces limnophilus está implicado na degradación aerobia da fucosa e ramnosa. Pénsase que unha aldolase xera lactaldehido, que é despois procesado no microcompartimento, e orixina 1,2-propanodiol e lactil-fosfato.

 Microcompartimentos bacterianos de Rhodococcus e Mycobacterium (RMM) 
En especies dos xéneros Rhodococcus e Mycobacterium observáronse dous tipos de loci de microcompartimentos bacterianos, aínda que a súa función real non foi establecida. Porén, baseándose na función caracterizada dun deses xenes presente no locus e nas funcións preditas doutros xenes, propúxose que estes loci poderían estar implicados na degradación de amino-2-propanol. O aldehido xerado nesta vía predita sería o composto extremadamente tóxico metilglioxal, polo que o seu secuestro dentro dos microcompartimento podería potexer a célula.

 Microcompartimentos bacterianos de función descoñecida (BUF) 
Un tipo de locus de microcompartimentos bacterianos que non conteñen RuBisCO nin ningún dos encimas centrais do metabolosoma, propúxose que facilita unha terceira clase de transformacións bioquímicas (é dicir, nin a fixación de carbono nin a oxidación de aldehidos). A presenza de xenes preditos que codifican amidohidrolases e desaminases poderían indicar que este microcompartimento está implicado no metabolismo de compostos nitroxenados.

 Ensamblaxe 

 Carboxisomas 

Identificouse a vía de ensamblaxe dos beta-carboxisomas, que empeza cando a proteína CcmM nuclea a RuBisCO. A CcmM ten dous dominios: un dominio de anhidrase carbónica gamma N-terminal seguido dun dominio que consta de tres a cinco repeticións de secuencias como as da subunidade pequena da RuBisCO. O dominio C-terminal agrega a RuBisCO, probablemente ao substituír as verdadeiras subunidade pequenas da RuBisCO no holoencima L8-S8, entrelazando a RuBisCO na célula nun gran agregado, denominado procarboxisoma. O dominio N-terminal da CcmM interacciona fisicamente co dominio N-terminal da proteína CcmN, que, á súa vez, recruta as subunidades proteicas da cuberta hexagonais por medio dun péptido de encapsulación do seu C-terminal. Os carboxisomas están despois aliñados espacialmente na célula cianobacteriana por medio da interacción co citoesqueleto bacteriano, o que asegura a súa distribución equitativa nas células fillas.

A ensamblaxe do alfa-carboxisoma pode ser diferente á do beta-carboxisoma, xa que non ten proteínas homólogas a CcmN ou CcmM e ningún péptido de encapsulación. Observáronse carboxisomas baleiros en micrografías electrónicas. Algunhas micrografías indican que a súa ensamblaxe ocorre como a coalescencia simultánea de encimas e proteínas da cuberta en oposición ao modo aparentemente paso a paso observado nos beta-carboxisomas.

 Metabolosomas 
A ensamblaxe do metabolosoma é probablemente similar á do beta-carboxisoma, e prodúcese pola agregación inicial de proteínas que van ser encapsuladas. As proteínas centrais de moitos metabolosomas agréganse cando se expresan soas. Ademais, moitas proteínas encapsuladas conteñen extensións terminais que son moi similares ao péptido C-terminal da CcmN que recruta as proteínas da cuberta. Estes péptidos de encapsulación son curtos (duns 18 residuos) e predise que forman hélices alfa anfipáticas. Algunhas destas hélices median na encapsulación de encimas nativos en microcompartimentos bacterianos, así como proteínas heterólogas (como a GFP).

 Regulación (xenética) 

Coa excepción dos carboxisomas, en todos os casos comprobados, os microcompartimentos bacterianos están codificados en operóns que se expresan só en presenza do substrato que se procesa neles.

Os microcompartimentos PDU de Salmonella enterica son inducidos pola presenza de propanodiol ou glicerol en condicións anaeróbicas, e só de propanodiol en condicións aeróbicas. Esta indución é mediada polos proteínas reguladoras globais Crp e ArcA (sensibles ao AMPc e ás condicións anaeróbicas, respectivamente), e pola proteína reguladora PocR, que é o activador transcricional dos loci pdu e cob (o operón necesario para a síntese de vitamina B12, un cofactor requirido pola propanodiol deshidratase).

Os microcompartimentos EUT de Salmonella enterica son inducidos por medio da proteína reguladora EutR pola presenza simultánea de etanolamina e vitamina B12, o cal pode darse en condicións aeróbicas ou anaeróbicas. Salmonella enterica só pode producir vitamina B12 endóxena en condicións anaeróbicas, aínda que pode importar cianobalamina e convertela en vitamina B12 tanto en condicións aeróbicas coma anaeróbicas.

Os microcompartimentos PVM de Planctomyces limnophilus son inducidos pola presenza de fucosa ou ramnosa en condicións aeróbicas, pero non pola glicosa. Resultados similares foron obtidos para os microcompartimentos GRM de Clostridium phytofermentans, para os cales ambos os azucres inducen os xenes que codifican os microcompartimentos e tamén os que codifican os encimas disimilatorios da fucosa e ramnosa.

Ademais dos sistemas reguladores caracterizados, os exames bioinformáticos indicaron que hai potencialmente moitos outros mecanismos reguladores, incluso dentro dun tipo funcional de microcompartimento (por exemplo, o PDU), incluíndo sistemas reguladores de dous compoñentes.

 Importancia para a saúde humana e para o planeta 

Os carboxisomas están presentes en todas as cianobacterias e moitas outras bacterias foto- e quimioautótrofas. As cianobacterias son globalmente significativas na fixación do carbono, e como requiren carboxisomas para facelo en condicións atmosféricas, o carboxisoma é un compoñente moi importante na fixación global do dióxido de carbono.

Varios tipos de microcompartimentos bacterianos foron implicados na virulencia de patóxenos, como Salmonella enterica e Listeria monocytogenes. Os xenes BMC tenden a estar regulados á alza en condicións virulentas, e se sofren mutacións orixinan un defecto na virulencia en experimentos de competición.

 Aplicacións biotecnolóxicas 

Varias características dos microcompartimentos bacterianos fanos interesantes para aplicacións biotecnolóxicas. Como os carboxisomas incrementan a eficiencia da fixación do carbono, está dedicándose un grande esforzo investigador a tentar introducir carboxisomas en plantas para mellorar o mecanismo de concentración do carbono.

Máis xeralmente, e debido a que as proteínas de cuberta dos microcompartimentos bacterianos se autoensamblan, poden formarse cubertas baleiras, polo que se intenta modificalas por enxeñería para que conteñan un cargamento determinado. O descubrimento do [péptido`]] de encapsulación no extremo dalgunhas proteínas asociadas aos microcompartimentos proporciona un mecanismo para empezar a modificar por enxeñaría microcompartimentos bacterianos fusionando a este péptido proteínas alleas e coexpresándoas coas proteínas da cuberta. Por exemplo, conseguiuse construír por enxeñaría un biorreactor de etanol ao engadir este péptido á piruvato descarboxilase e alcohol deshidroxenase. Finalmente, os poros presentes nas proteínas da cuberta controlan a permeabilidade da cuberta: estas poden ser unha diana para realizar a bioenxeñaría, xa que pode ser modificadas para permitir que as crucen substratos e produtos seleccionados.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Outros artigos 
 Sistema endomembranoso
 Vía metabólica
 Canalización de substratos
 Encapsulinas

 Ligazóns externas 
 Mysterious Bacterial Microcompartments Revealed By Biochemists
 Not so simple after all. A renaissance of research into prokaryotic evolution and cell structure

Categoría:Orgánulos
Categoría:Proteínas bacterianas