Análisis de la adaptación al frío de enzimas comúnmente expresadas en levaduras antárticas

Abstract

Gran parte de la superficie terrestre está expuesta a temperaturas permanentes bajo los 5ºC, incluyendo el fondo de los océanos, glaciares y altas cumbres. Estos lugares son el hábitat de diversos microorganismos que han desarrollado estrategias para sobrevivir a estas condiciones, entre ellas, las enzimas adaptadas al frío. Estas enzimas han llamado la atención de los científicos por las interrogantes que rodean su adaptación a bajas temperaturas respecto de sus contrapartes mesófilas y su potencial biotecnológico como biocatalizadores en diversas industrias, donde se busca reducir los costos energéticos y el impacto ambiental de los procesos productivos. En este trabajo se estudió las diferencias estructurales entre enzimas de levaduras antárticas y sus homólogos mesófilos, y su asociación con una mayor actividad a bajas temperaturas. Se midió distintas características estructurales de nueve tipos de enzimas y se realizaron pruebas de correlación y diferencia de medias entre los grupos adaptados al frío y mesófilo, encontrando diferencias significativas en interacciones como puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas, y la superficie apolar expuesta y excluida del solvente. Además, se expresó una glucoamilasa recombinante del hongo antártico Tetracladium sp., la cual se purificó parcialmente y se determinó su temperatura de máxima actividad, constante de Michaelis-Menten y Velocidad máxima (45ºC, 41,75 g/L y 0,006 min-1, respectivamente) con almidón soluble como sustrato a pH 7. Por último, se realizó un análisis más acabado de las características estructurales de esta enzima con su molde mesófilo, encontrando diferencias importantes en la composición de ciertos residuos, motivos estructurales e interacciones asociadas a la adaptación a bajas temperaturas.

A large portion of Earth’s surface is exposed to permanent temperatures below 5ºC, including the bottom of the ocean, glaciers, and high mountains. These places are the habitat of a diversity of microorganisms that developed strategies to survive these conditions; cold-adapted enzymes are among those strategies. Scientists have focused on cold-adapted enzymes because of their intriguing adaptations to cold, and their biotechnological potential as biocatalysts in industries looking to reduce energy costs and their impact on the environment. This study focuses on the structural differences of enzymes from Antarctic yeasts, their mesophilic homologs, and their association with a greater catalytic activity at lower temperatures. Structural characteristics were measured in nine types of enzymes, which were analyzed between cold-adapted and mesophilic groups, finding significant differences in the number of hydrogen bonds, hydrophobic interactions, solvent-accessible surface, and solvent-excluded surface. A recombinant glucoamylase from the Antarctic fungi Tetracladium sp. was expressed, partially purified and its temperature of maximal activity, Michaelis-Menten constant and maximal velocity (45ºC, 41,75 g/L y 0,006 min-1, respectively) were determined with soluble starch as substrate at pH 7. Finally, a thorough structural study between this enzyme and its mesophilic template was performed, finding important differences in residue, composition, structural motifs, and interactions associated with cold adaptation.