El freno doble en la proteína de transporte evita que las células exploten

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Una alta concentración de sal o azúcar en el medio ambiente deshidratará los microorganismos y evitará que crezcan. Para contrarrestar esto, las bacterias pueden aumentar su concentración interna de solutos. Científicos de la Universidad de Groningen dilucidaron la estructura de una proteína de transporte OpuA, que importa glicina betaína para contrarrestar el estrés osmótico. La proteína pertenece a la conocida familia de transportadores ABC, pero tiene una estructura y un mecanismo de trabajo únicos. Los resultados fueron publicados en Avances científicos el 18 de noviembre.

Los conservantes de alimentos están diseñados para dificultar la vida de los microorganismos. La sal y el azúcar son conservantes bien conocidos; aumentan la concentración de electrolitos por encima de la de las bacterias internas. El resultado es que el agua sale de estas bacterias hasta que las concentraciones son aproximadamente iguales, dejando células marchitas que ya no pueden crecer.

Transportador ABC

“Sin embargo, algunas bacterias han desarrollado defensas contra tales conservantes”, dice Bert Poolman, profesor de bioquímica en la Universidad de Groningen. Hace unos 20 años, un productor de alimentos le pidió que encontrara formas de derrotar esas defensas. Condujo al descubrimiento de OpuA, una proteína de transporte que se desencadena por la deshidratación y responde importando una sustancia llamada glicina betaína. “Esto aumenta la concentración de osmolitos dentro de las células sin comprometer la estructura de las proteínas. El resultado es que las células absorben más agua y comienzan a crecer nuevamente”, explica Poolman.

OpuA pertenece a una clase conocida de proteínas llamadas transportadores ABC (casete de unión a ATP). Esta familia de proteínas es una de las más grandes conocidas en biología. Los seres humanos tienen alrededor de 50 de estos transportadores, algunas plantas tienen cientos de ellos y las bacterias tienen un número intermedio. OpuA es especial porque puede importar glicina betaína en grandes cantidades, lo que lleva a una concentración de osmolitos internos muy alta. Es por eso que Poolman estaba intrigado por descubrir cómo funcionaba. “He trabajado en este problema de forma intermitente desde entonces”.

Penetración

El problema era dilucidar la estructura de la proteína. Hasta hace unos años, el método estándar era cultivar cristales a partir de proteínas e investigar las que usaban difracción de rayos X. Es muy difícil cultivar cristales a partir de proteínas que están incrustadas en la membrana celular y para OpuA resultó imposible. Basado en la secuencia de aminoácidos y la estructura de otros transportadores ABC, el científico compiló un modelo de la estructura, pero esto no pudo explicar la forma en que funcionaba OpuA.

El gran avance se produjo con la introducción de la microscopía crioelectrónica, junto con el trabajo de Ph.D. el estudiante Hendrik Sikkema y la colaboración con el grupo de investigación de la profesora asistente de Cryo-EM de la Universidad de Groningen Cristina Paulino. Se escaneó una gran cantidad de proteínas individuales en un microscopio electrónico a una temperatura muy baja, después de lo cual se combinaron todas las imágenes para proporcionar una vista directa de la estructura. Los resultados mostraron no una, sino cinco estructuras diferentes. “La proteína es una estructura dinámica, ya que cambia de conformación para adaptarse a la función, pero las diferentes partes también vibran por sí mismas”, explica Poolman. “Esto significa que una proteína existe en muchas estructuras variantes. Y no se pueden hacer crecer cristales en medio de tal diversidad”.

Hermosa

La primera conclusión de los estudios de crio-EM fue que la mayor parte de lo que pensaban saber sobre la estructura de OpuA era incorrecto. “Por ejemplo, partes que creíamos que estaban en el interior de la membrana celular se sentaban en el exterior”. La estructura real era hermosa, según Poolman. La segunda conclusión fue que OpuA está regulada en parte por di-AMP cíclico, una segunda molécula mensajera que se descubrió recientemente. “La proteína responde principalmente a la fuerza iónica, que varía en función del estrés osmótico, pero utiliza di-AMP cíclico como un segundo freno para detener por completo la importación de glicina betaína y evitar que la célula explote en condiciones sin estrés”.

El sensor de fuerza iónica de la proteína OpuA lleva una carga positiva mientras que la membrana tiene una carga negativa. Cuando se extrae agua de las células, aumenta la concentración de sales, como el cloruro de potasio. “Esto interrumpe la interacción del sensor de fuerza iónica con la membrana, que activa el mecanismo de bombeo”. Una vez que la concentración de glicina betaína es lo suficientemente alta como para hacer que la célula se hinche a sus proporciones normales, la interacción proteína-membrana se normaliza. “Sin embargo, la bomba no se apaga por completo, por lo que continúa importando algo de glicina betaína. Esto aumentará la presión dentro de la celda y eventualmente hará que explote”. Es por eso que se utiliza di-AMP cíclico para apagar completamente la bomba.

El artículo describe las diferentes estructuras y proporciona datos funcionales sobre la proteína de transporte. Esta combinación da una buena idea del funcionamiento de OpuA: un resultado satisfactorio para Poolman. “Es la acumulación de veinte años de investigación, que ha producido siete u ocho tesis doctorales”. Los resultados muestran cómo se podría superar la resistencia de las bacterias a los conservantes, como la sal o el azúcar. “Además, somos parte de un consorcio que está tratando de construir una celda sintética. OpuA es una parte importante del diseño; está destinado a regular la presión interna de la celda”.