Del geiser al laboratorio: Taq ADN polimerasa
José Benjamín Rodriguez Haas, Nohemí Carreras Villaseñor, Eric Edmundo Hernández Domínguez y Diana Sánchez Rangel
Importantes avances científicos se tienen gracias al entendimiento de los procesos biológicos de cómo viven los diferentes organismos en la naturaleza. Un ejemplo claro fue el descubrimiento de la enzima Taq ADN polimerasa que actualmente se utiliza de forma rutinaria en un sinfin de laboratorios de investigación en todo el mundo, en aplicaciones de gran relevancia como el diagnóstico de enfermedades en animales y en la identificación de patógenos de plantas. Esta enzima fue obtenida de Thermus aquaticus una bacteria termófila que vive en ambientes con temperaturas por encima de los 70ºC. Así que conozcamos más de esta fascinante historia.
Palabras claves: Taq ADN polimerasa, organismo termófilo
Los ambientes extremos son hábitats naturales que son considerados hostiles para la persistencia de la vida, en los cuales puede haber temperaturas superiores a 45˚C o inferiores a 20˚C, acidez (pH<6) o alcalinidad (pH>8), alta salinidad, entre otros. Aún en estas condiciones, existen microorganismos que habitan estos entornos y son llamados extremófilos, los cuales se encuentran perfectamente adaptados a estos ambientes (Fig. 1). De acuerdo con las condiciones físicas y químicas extremas del ambiente donde se desarrollan, estos microorganismos se pueden clasificar como: termófilos, adaptados a altas temperaturas; psicrófilos, adaptados a bajas temperaturas; halófilos, adaptados a ambientes salinos; acidófilos, adaptados a ambientes ácidos; y alcalófilos, adaptados a ambientes alcalinos; entre otros 1-2.
Fig. 1 Sección transversal idealizada representativa de la corteza terrestre que muestra la diversidad de ambientes extremos y su ubicación aproximada. (Modificado de Merino et al., 2019).
Específicamente, los termófilos son microorganismos que se desarrollan en temperaturas superiores a 65°C. El límite de temperatura a la que se pueden encontrar estos organismos no se conoce aún, aunque se cree que ninguna forma de vida podría evitar la ruptura de los enlaces químicos que forman el ADN (Ácido Desoxirribonucleico) y otras moléculas esenciales por encima de los 150°C. En 1968, el Dr. Tomas Brock aisló e identificó la bacteria Thermus aquaticus de las aguas de los géiseres del parque Yellowstone, en Estados Unidos, las cuales mantienen temperaturas mayores de 70°C (Fig. 2). Si bien, la identificación de este microorganismo fue producto de investigaciones de tipo básico, pronto se cuestionó los mecanismos biológicos que permitían a esta bacteria sobrevivir a altas temperaturas. Ahora se sabe que T. aquaticus posee enzimas con ciertos factores estructurales, tales como diversas interacciones iónicas, puentes de hidrogeno, alta hidrofobicidad, flexibilidad disminuida, entre otros, que le confieren estabilidad térmica, además consta de una membrana plasmática con modificaciones que comprenden el alargamiento de las cadenas de ácidos grasos (C18-C24), incremento de ácidos grasos saturados presencia de ramificaciones y ciclos hopanoides3,4.
Por otro lado, en la década de 1980, el Dr. Kary Mullis desarrolló una metodología llamada Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR, por sus siglas en inglés) que es una síntesis in vitro de pequeños fragmentos de ADN que se realiza en pocas horas y sin necesidad de usar células vivas, empleando una enzima llamada ADN polimerasa, proteína capaz de hacer copias del ADN. Por este desarrollo le fue otorgado el Premio Nobel de Química en 1993. Una de las características distintivas de la PCR es, sin duda, su extraordinaria versatilidad. Esa versatilidad es más por su "aplicabilidad" a diversas áreas, por ejemplo, medicina forense, diagnóstico clínico, epidemiología, fitopatología, investigación científica, entre otros.
La técnica de PCR implica la aplicación de gradientes de temperaturas de manera cíclica (de 20 a 35 ciclos) a las muestras a procesar; estas temperaturas pueden ser tan elevadas (95-98ºC) que desnaturaliza biomoléculas como el ADN y proteínas (Fig. 3). En un principio, en la PCR se empleaba el fragmento klenow de la ADN polimerasa I de Escherichia coli (una bacteria que forma parte del tracto gastrointestinal, adaptada a 37ºC y que puede llegar a causar enfermedad); sin embargo, se desnaturalizaba (se inactivaba) al término de cada ciclo de PCR debido a las altas temperaturas y había que añadirla de nuevo a la reacción de PCR, lo que lo hacía un proceso tedioso y con alta probabilidad de error5. Este inconveniente se resolvió al sustituir la ADN polimerasa I de E. coli por una enzima termoestable que no perdía su actividad durante todo el proceso. Dicha enzima fue la ADN polimerasa de Thermus aquaticus, conocida como Taq ADN polimerasa6 y que por ser de un microorganismo termófilo es funcional hasta los 95 ˚C.
Fig. 3 Esquema representando los cambios de temperaturas cíclicos durante una corrida de PCR. José Benjamín Rodríguez Haas
En el INECOL, los laboratorios de Biología Molecular y Fitopatología emplean la PCR de manera rutinaria y hacen uso de diferentes Taq ADN polimerasas, de las cuales, algunas son producidas a gran escala en el laboratorio de Proteómica, lo que la hace estar siempre disponible para
los trabajos de investigación. Así, en el laboratorio de Proteómica clonan el gen de la Taq ADN polimerasa, es decir lo ligan (lo pegan, lo insertan) en el material genético (plásmido) de otro organismo (bacteria) y construyen un hibrido o quimera molecular conocido por los científicos como ADN recombinante. El ADN recombinante en ese momento puede ser incorporado en una bacteria como E. coli, con el propósito de que ésta produzca la Taq ADN polimerasaa partir del ADN recombinante. Este proceso de producción es conocido como expresión heteróloga y es muy empleado para obtener cualquier tipo de proteína recombinante. Además, se han desarrollado diferentes metodologías para la obtención de las proteínas recombinantes muy puras a partir de los cultivos bacterianos (Fig. 4). Así mismo, la ingeniería genética ha permitido optimizar la Taq ADN polimerasa para aumentar su fidelidad (capacidad de hacer copias fieles de ADN) y especificidad.
La identificación de una bacteria termófila y el desarrollo de la metodología de la PCR es un ejemplo perfecto de como la ciencia básica impulsa el desarrollo tecnológico y puede mejorar la vida de los seres humanos, es la muestra del valor del conocimiento científico per se. El descubrimiento de una bacteria que vive en un geiser en medio de un parque natural podría no significar nada para la sociedad, pero la sucesión de desarrollos y aplicaciones que desencadenó está peculiar bacteria logro un gran cambio en la historia de la humanidad y de los avances en la biotecnología, desde brindarnos un mejor entendimiento de cómo funciona el ADN hasta la obtención de la insulina humana a partir de la bacteria E. coli. Sin embargo, hoy en día la aplicación más notable de las diferentes versiones de la Taq ADN polimerasa u otras ADN polimerasas termotolerantes es en la PCR, reconocida por ser la prueba de oro para el diagnóstico del virus SARS-CoV2 causante de la COVID-19.
Referencias
- Madigan, M. T. (2003). Anoxygenic phototrophic bacteria from extreme environments. Photosynthesis research, 76(1), 157-171.
- Merino, N., Aronson, H. S., Bojanova, D. P., Feyhl-Buska, J., Wong, M. L., Zhang, S., & Giovannelli, D. (2019). Living at the Extremes: Extremophiles and the Limits of Life in a Planetary Context. Frontiers in microbiology, 10, 780.
- Ramírez D., Ninfa, & Serrano R., José Antonio, & Sandoval T., Horacio (2006). Microorganismos extremófilos. Actinomicetos halófilos en México. Revista Mexicana de Ciencias Farmacéuticas, 37(3),56-71. ISSN: 1870-0195.
- Gomes, J., & Steiner, W. (2004). The biocatalytic potential of extremophiles and extremozymes. Food technology and Biotechnology, 42(4), 223-225
- Saiki, R. K., Scharf, S., Faloona, F., Mullis, K. B., Horn, G. T., Erlich, H. A., & Arnheim, N. (1985). Enzymatic amplification of beta-globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia. Science, 230(4732), 1350-1354.
- Saiki, R. K., Gelfand, D. H., Stoffel, S., Scharf, S. J., Higuchi, R., Horn, G. T., & Erlich, H. A. (1988). Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase. Science, 239(4839), 487-491.
- https://bitesizebio.com/13505/the-invention-of-pcr
- https://www.usgs.gov/center-news/nobel-winning-research-natural-laboratory-yellowstone
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- Nanopartículas de óxido de hierro; nueva generación de fertilizantes
- La producción de inóculo para el cultivo de hongos comestibles en México
- El poder de la caca
- La química en la rosca de reyes
- Botrytis en bayas
- Mosquitos, ¡gracias por el chocolate!
- Complementariedad de agentes de control biológico: el caso de las moscas de la fruta
- Enanos y gigantes de Pátzcuaro, Michoacán
- La química como herramienta para el control de plagas
- No hace falta vivir mucho para envejecer
- Cucarachones de agua
- El maíz nativo: conservación de su diversidad y disfrutar su sabor
- La historia del Tsurumpitpit: un canto de identidad
- El CURP en la conservación
- ¿Cómo sudan las plantas?
- Las Matrioskas y sus microorganismos
- Sensores para medir el nivel del agua dentro del suelo
- Ácidos nucleicos: ¿Por qué el uracilo no está presente en el ADN?
- Conservando a Magnolia shiedeana a partir de al diversidad en sus genes
- Azul, el color del primer libro fotográfico
- El camino a la ciencia en México
- Dioon edule en el Farallón
- Parecidos, pero no iguales
- La Reserva de Biosfera Islas Golfo de California deja la Red Mundial de Reservas de la Biosfera de MAB-UNESCO
- Colibrí tijereta mexicano
- Dos moscas invasoras amenazan la producción de higo en Veracruz
- Nixtamal: tradición y nutrición
- La resistencia de los espacios públicos en la nueva ciudad
- Hongos comestibles de México: alimentos silvestres de gran calidad
- Flor del día de muertos, hechos, ornato y sus misticisismos
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- ¿Tienen personalidad los insectos?
- El gusano cogollero del maíz, una plaga que viaja por el mundo
- Organismos diminutos mitigando el calentamiento global
- Los lagos volcánicos y el cambio climático
- Restauración de manglares: ¡a combinar ecología con ingeniería ambiental!
- Mirando al Bosque de Niebla: Fotografía participativa desde la Meta 19
- Días de muertos: celebración vegetal
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- La taxonomía de Linneo: el bolo de nuestro padrino de bautizo
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- Día Internacional de la Cultura Científica: reflexiones con la mente y acciones con el corazón
- COVID 19 en Xalapa: ¿Qué nos dicen los contagios?
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- El contenido de agua en el suelo: su importancia
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- Polinizadores y producción agrícola en Veracruz
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- Insectos enfermos - los microorganismos que matan a los bichos
- Ciénegas y pantanos ¿útiles o inútiles?
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- ¿Obesidad y Diabetes?... ¡Algas al rescate!
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- Integridad ecosistémica y salud humana: el caso de las enfermedades transmitidas por insectos
- ¿Reforestar o restaurar ecosistemas?
- El Jardín Botánico Fco. Javier Clavijero y la colección nacional de cícadas
- Escarabajos ambrosiales: demografía y cambio climático
- Arrecifes coralinos
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- La percepción socioambiental de la vida silvestre
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- Transmisión y especificidad de muérdagos
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- La nueva era de los fertilizantes
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- Caminando entre verdes oportunistas
- El reloj de los mamíferos
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- Gatos ferales
- Oportunidades de investigación en torno al cultivo de frutos suaves en México
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- Limpiando agua en humedales con flores
- Aire no contaminado con biorefinerías
- Biodiversidad y seguridad alimentaria
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- Arboles urbanos con valor alimenticio
- Relaciones planta-animal en la naturaleza
- Las colecciones biológicas, tesoros que debemos conservar
- Oxalidaceae, una familia de plantas escasamente conocida con gran potencial utilitario.
- Encuentran migas de pan de 14,400 años en Jordania
- ¿Será posible recuperar especies animales?: el caso del Santuario del Bosque de Niebla en Xalapa
- El mono y el cacao: una relación íntima que genera frutos para la conservación
- ¿Porque conservar la biodiversidad?
- La cría de escarabajos estercoleros en áreas ganaderas de Veracruz, como respuesta al efecto económico de la Ivermectina aplicada al ganado
- Primates mexicanos: voceros de las selvas e inspiración comunitaria para su conservación
- Un lobo en el cuerpo de un ratón
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- Los compuestos organoclorados en la fauna de Xalapa y zonas cercanas
- 1er Festival ECOPICS de la Montaña un evento a recordar…
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- Ciudades: amenazas y oportunidades para la biodiversidad
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