Pyrococcus furiosus

Pyrococcus furiosus posee varias alcohol deshidrogenasas (ADH) altamente termoestables: la AdhA de cadena corta, la AdhB que contiene hierro, la AdhC que contiene zinc, y otras. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Cada una de estas ADH depende de NADP y sirve para reponer NADP ⁺ utilizando el NADPH producido por la fermentación para reducir aldehídos a alcoholes. Los aldehídos también son productos de la fermentación y son tóxicos para la célula, por lo que es necesario eliminarlos. Las ADH de P. furiosus suelen tener una amplia gama de sustratos de aldehído que pueden utilizar, y también pueden catalizar la reacción inversa (oxidación de alcoholes) utilizando etanol, 1,3-propanodiol y otros alcoholes como sustrato. Al igual que la mayoría de las enzimas de las arqueas, las ADH son sensibles al oxígeno. ^{[ 12 ]}

Pyrococcus furiosus posee cinco oxidorreductasas únicas que contienen tungsteno y que forman parte de su vía glucolítica independiente de NAD(P)H . Estas enzimas funcionan de manera óptima por encima de 90  °C. La primera en ser descubierta fue la aldehído ferredoxina oxidorreductasa, o AOR, que utiliza tungsteno, azufre y hierro para catalizar la oxidación de aldehídos y reducir la ferredoxina (siendo esta el transportador de electrones en lugar de NAD(P)H). ^{[ 13 ]} Dado que esta fue la primera, se dice que todas las oxidorreductasas que contienen tungsteno forman parte de la familia AOR. La siguiente oxidorreductasa en ser descubierta fue la gliceraldehído-3-fosfato ferredoxina oxidorreductasa, o GAPOR, que utiliza tungsteno y hierro para catalizar la oxidación de gliceraldehído-3-fosfato específicamente. GAPOR solo funciona en condiciones anaeróbicas, al igual que muchas enzimas en P. furiosus . ^{[ 14 ]} Otra oxidorreductasa es la formaldehído ferredoxina oxidorreductasa, o FOR, que cataliza la oxidación de aldehídos en ácidos carboxílicos . Esta enzima utiliza cuatro tipos de cofactores: tungsteno, hierro, azufre y calcio. ^{[ 15 ]} La siguiente oxidorreductasa, WOR4, no ayuda a oxidar aldehídos, sino que tiene un papel en la reducción de azufre elemental (S ⁰ ) en H ₂ S. Esta utiliza los mismos cofactores que FOR, y solo se encuentra en células de P. furiosus que se cultivan en presencia de azufre elemental. ^{[ 16 ]} La quinta y última oxidorreductasa se llama WOR5, y tiene una amplia especificidad para especies de aldehídos aromáticos y alifáticos . ^{[ 17 ]}

Una especie de oxidorreductasa en P. furiosus que no contiene tungsteno es la piruvato ferredoxina oxidorreductasa, o POR, que cataliza el paso final de la vía glucolítica. Es posible que POR sea un ancestro de las piruvato oxidorreductasas mesófilas. ^{[ 18 ]} También existe la indolpiruvato ferredoxina oxidorreductasa, o IOR, que utiliza hierro y azufre para catalizar la " descarboxilación oxidativa de arilpiruvatos ". ^{[ 19 ]}

Se descubrió en P. furiosus una ADN polimerasa que se creía no relacionada con otras ADN polimerasas conocidas, ya que no se encontró homología de secuencia significativa entre sus dos proteínas y las de otras ADN polimerasas conocidas. Esta ADN polimerasa tiene una fuerte actividad exonucleolítica de 3' a 5' y una preferencia por el molde-cebador característica de una ADN polimerasa replicativa, lo que llevó a los científicos a creer que esta enzima podría ser la ADN polimerasa replicativa de P. furiosus . ^{[ 20 ]} Posteriormente se la clasificó en la familia B de polimerasas, la misma familia que la ADN polimerasa II. Su estructura, que parece bastante típica de la polimerasa B, también se ha resuelto. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

Dado que las enzimas de P. furiosus son extremadamente termoestables, la ADN polimerasa de P. furiosus (también conocida como ADN polimerasa Pfu ) puede utilizarse en el proceso de amplificación de ADN mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). El proceso de PCR requiere una ADN polimerasa termoestable para la amplificación in vitro automatizada, que originalmente se utilizaba con la ADN polimerasa Taq . ^{[ 23 ]} Sin embargo, dado que la ADN polimerasa Taq purificada carece de actividad exonucleasa (corrección de errores), no puede eliminar nucleótidos mal emparejados . A principios de la década de 1990, los investigadores descubrieron que la ADN polimerasa Pfu de P. furiosus sí posee la actividad exonucleasa 3'-5' necesaria, lo que permite la eliminación de errores. Pruebas posteriores que utilizaron la ADN polimerasa Pfu en el proceso de PCR revelaron una mejora de más de diez veces en la precisión con respecto al uso de la ADN polimerasa Taq . ^{[ 2 ]}

Una aplicación práctica de P. furiosus es la producción de alcoholes para diversos procesos industriales. Es posible utilizar las enzimas de P. furiosus en industrias como la alimentaria, la farmacéutica y la de productos químicos finos, donde las alcohol deshidrogenasas son necesarias para la producción de dioles enantioméricamente y diastereoméricamente puros. Las enzimas de hipertermófilos como P. furiosus funcionan bien en procesos de laboratorio debido a su relativa resistencia: generalmente operan correctamente a altas temperaturas y presiones, así como en altas concentraciones de sustancias químicas.

Para que las enzimas de origen natural sean útiles en el laboratorio, a menudo es necesario modificar su composición genética. De lo contrario, las enzimas naturales podrían no ser eficientes en un procedimiento inducido artificialmente. Si bien las enzimas de P. furiosus funcionan de manera óptima a alta temperatura, los científicos no necesariamente desean realizar un procedimiento a 100 °C (212 °F) . En consecuencia, en este caso, se tomó la enzima específica AdhA de P. furiosus y se sometió a diversas mutaciones en el laboratorio para obtener una alcohol deshidrogenasa adecuada para su uso en procesos artificiales. Esto permitió a los científicos obtener una enzima mutante que podía funcionar eficientemente a temperaturas más bajas y mantener la productividad. ^{[ 24 ]}  

La expresión de un gen específico presente en P. furiosus en las plantas también puede aumentar su durabilidad al incrementar su tolerancia al calor. En respuesta a estrés ambiental, como la exposición al calor, las plantas producen especies reactivas de oxígeno que pueden provocar la muerte celular. Si se eliminan estos radicales libres, se puede retrasar la muerte celular. Las enzimas vegetales llamadas superóxido dismutasas eliminan los radicales anión superóxido de las células, pero aumentar la cantidad y la actividad de estas enzimas es difícil y no es la forma más eficiente de mejorar la durabilidad de las plantas. ^{[ 25 ]}

Al introducir las superóxido reductasas de P. furiosus en las plantas, se pueden reducir rápidamente los niveles de O₂ _. Los científicos probaron este método con la planta Arabidopsis thaliana . Como resultado, la muerte celular en las plantas se produce con menos frecuencia, lo que reduce la gravedad de las respuestas al estrés ambiental. Esto mejora la supervivencia de las plantas, haciéndolas más resistentes al estrés lumínico, químico y térmico.

Este estudio podría servir como punto de partida para crear plantas capaces de sobrevivir en climas más extremos en otros planetas, como Marte. Al introducir más enzimas de extremófilos como P. furiosus en otras especies de plantas, podría ser posible crear especies increíblemente resistentes. ^{[ 3 ]}

Al comparar P. furiosus con una especie de arquea relacionada, Pyrococcus abyssi , los científicos han intentado determinar la correlación entre ciertos aminoácidos y la afinidad por determinadas presiones en diferentes especies. P. furiosus no es barófila , mientras que P. abyssi sí lo es, lo que significa que funciona de manera óptima a presiones muy altas. El uso de dos especies de arqueas hipertermófilas reduce la posibilidad de desviaciones relacionadas con la temperatura del ambiente, disminuyendo así las variables en el diseño experimental. ^{[ 26 ]}

Además de proporcionar información sobre la barofilia de ciertos aminoácidos, el experimento también aportó valiosas perspectivas sobre el origen del código genético y sus influencias organizativas. Se descubrió que la mayoría de los aminoácidos que determinaban la barofilia también eran importantes en la organización del código genético. Asimismo, se observó que los aminoácidos más polares y los de menor tamaño tenían mayor probabilidad de ser barofílicos. Mediante la comparación de estas dos arqueas, se llegó a la conclusión de que el código genético probablemente se estructuró bajo alta presión hidrostática, y que esta presión era un factor más influyente en la determinación del código genético que la temperatura. ^{[ 26 ]}