Determinación de la estrategia de adaptación a sal de una quinasa dependiente de ADP de nanohaloarquea

Abstract

Los ambientes con un alto porcentaje de salinidad están habitados por una gran diversidad de organismos: bacterias, eucariontes y principalmente arqueas. Para sobrevivir y prosperar en estas condiciones extremas estos organismos han adaptado su fisiología, desarrollando mecanismos que evitan la pérdida de agua por medio de la acumulación de iones inorgánicos o moléculas orgánicas dentro de la célula. La acumulación de iones inorgánicos dentro de la célula requiere que las proteínas de estos organismos modifiquen su estructura para ser estables y funcionales en una alta concentración de iones. Estas adaptaciones estructurales se han estudiado principalmente en las arqueas de la clase Halobacteria y más recientemente en el orden Methanosarcinales, encontrándose diferencias significativas entre ambos grupos filogenéticos. En Halobacteria destaca el aumento de residuos negativos en la superficie, junto con una disminución del número de lisinas y residuos hidrofóbicos voluminosos, mientras que en Methanosarcinales se observa un aumento en el número de lisinas y residuos negativos, sin una disminución de los residuos hidrofóbicos voluminosos. Las Nanohaloarquea son una nueva clase de arqueas halófilas cuya posición dentro del dominio Arquea aún es tema de debate. En cuanto a su adaptación a las altas concentraciones de sal, mediante análisis genómicos se ha visto que las proteínas de algunos de estos organismos tienen características que podrían indicar que las Nanohaloarquea utilizan la estrategia de salt-in para su haloadaptación y que comparten las adaptaciones estructurales vistas para Halobacteria. Sin embargo, a la fecha no existen estudios sobre estos organismos o sus proteínas, en particular, como éstas se adaptan a altas concentraciones de sal. Para determinar el mecanismo de haloadaptación de las proteínas de Nanohaloarquea utilizamos una quinasa de azúcares dependiente de ADP no caracterizada. La proteína se expresó en la arquea halófila Haloferax volcanii y se determinaron sus parámetros cinéticos (Vmax, kcat y KM) y el efecto de la sal sobre la actividad enzimática. Según estos análisis la quinasa dependiente de ADP de Nanohaloarquea es específica para fructosa-6-fosfato y alcanza su máxima actividad en concentraciones molares de KCl. Además, se construyó un modelo por homología de esta proteína y se analizaron las adaptaciones estructurales asociadas a halofilicidad. Se determinó que en esta proteína hay un aumento de aminoácidos ácidos en la superficie, sin embargo, no hay una reducción en el número de lisinas en la superficie ni del tamaño del centro hidrofóbico. Estas características sugieren que la quinasa dependiente de ADP de Nanohaloarquea se adapta a las altas concentraciones de sal por un mecanismo de haloadaptación, distinto al descrito para Halobacteria

Environments with a high percentage of salinity are inhabited by a great diversity of organisms: bacteria, eukaryotes and mainly archaea. To survive and thrive in these extreme conditions, these organisms have adapted their physiology by developing mechanisms that prevent the loss of water from the cell through the accumulation of inorganic ions or organic molecules within the cytoplasm. The accumulation of inorganic ions within the cell requires the proteins of these organisms to modify their structure to be stable and functional in a high concentration of ions. These structural adaptations have been studied mainly in the class Halobacteria and, more recently, in the order Methanosarcinales, finding significant differences between both phylogenetic groups. In Halobacteria the increase in negative surface residues, along with a decrease in the number of lysine and bulky hydrophobic residues, are the most characteristic features. In Methanosarcinales, however, an increase in the number of lysine, negative residues and bulky hydrophobic residues is observed. Nanohaloarchaea are a new class of halophilic archaea whose position within the Archaea domain is still a matter of debate. Regarding its adaptation to high salt concentrations, genomic analysis has shown that the proteins of some of these organisms have characteristics that indicate Nanohaloarchaea use the salt-in strategy for their haloadaptation and share the structural adaptations seen for Halobacteria. However, to date there are no studies on these organisms or their proteins, or how they adapt to high concentrations of salt. To determine the haloadaptation mechanism of the Nanohaloarchaea proteins, we used an uncharacterized ADP-dependent sugar kinase. The protein was expressed in the halophilic archaea Haloferax volcanii and we determined its kinetic parameters (Vmax, kcat and KM) and the effect of salt on enzymatic activity. According to these analyzes, the ADP-dependent kinase of Nanohaloarchaea is specific for fructose-6-phosphate being its maximum activity reach at molar concentrations of KCl. Also, by homology modeling, we analyzed the structural adaptations associated with halophilicity. These adaptations included an increase of acidic amino acids on the surface, no reduction in the number of lysine on the surface, or the size of the hydrophobic core. These characteristics suggest that the ADP-dependent kinase of Nanohaloarchaea adapts to high salt concentrations by a haloadaptation mechanism different from that described for Halobacteria