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 hopanoides^3,4.

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

1. Madigan, M. T. (2003). Anoxygenic phototrophic bacteria from extreme environments. Photosynthesis research, 76(1), 157-171. 
2. 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. 
3. 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. 
4. Gomes, J., & Steiner, W. (2004). The biocatalytic potential of extremophiles and extremozymes. Food technology and Biotechnology, 42(4), 223-225
5. 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.
6. 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.
7. https://bitesizebio.com/13505/the-invention-of-pcr 
8. https://www.usgs.gov/center-news/nobel-winning-research-natural-laboratory-yellowstone