2.54: Thermus aquaticus

T. aquaticus es el organismo que hace posible la PCR (reacción en cadena de la polimerasa). Es un 'termófilo', capaz de vivir en altas temperaturas, específicamente a temperaturas superiores a 70 °C (150 °F). Fue descubierto en 1969, en una época en la que los biólogos asumieron que ningún ser vivo podría sobrevivir a temperaturas superiores a 55 °C, mientras que Thermus puede 'solo' soportar temperaturas de hasta 80 °C, otros organismos pueden vivir a temperaturas aún más cercanas al punto de ebullición del agua.

Una fuente termal de Yellowstone, comparable a aquella en la que se descubrió por primera vez Thermus aquaticus.

Filogenia

A diferencia de muchos procariotas termófilos (amantes del calor) Thermus no está en el Dominio Archaea sino que es un género en el Dominio Bacterias. Junto con otro género, Thermus forma un linaje distinto y antiguo dentro de la bacteria.

Estructura

Las células de Thermus aquaticus son bacterias gram negativas en forma de bastón y a veces filamentosas, no flageladas, que a menudo aparecen como filamentos. Las bacterias Gram negativas tienen una capa de pared celular de peptidoglicano intercalada entre una membrana fosfolipídica interna y externa.

Sexo y reproducción

Como todas las bacterias, los Thermus no son sexuales, sino que son capaces de intercambiar material genético por otros medios.

Materia y energía

El termo es un heterótrofo y adquiere materia y energía al absorber compuestos orgánicos de su entorno, compuestos orgánicos que se derivan de otros organismos vivos ya sea por excreción o degradación de las biomoléculas que alguna vez formaban parte de un organismo.

Interacciones

El termo se encuentra en sitios con temperaturas elevadas, aguas termales y cerca de respiraderos termales en los océanos. Ocasionalmente se encuentra en sistemas de agua caliente y en áreas de contaminación térmica (por ejemplo, cerca de centrales eléctricas). Se alimenta de materia orgánica producida por otros termófilos incluyendo tanto otros miembros de la Bacteria del Dominio (incluyendo algunas cianobacterias fotosintéticas) como miembros del Dominio Archaea (ver Halobacterium)

Reacción en cadena de polimerasa

En los últimos 20 años la técnica de PCR ha revolucionado la investigación en biología y juega un papel muy importante en la 'biología aplicada' (por ejemplo, pruebas de gripe de Wuhan, pruebas de paternidad, diagnóstico de enfermedad hereditaria, ciencia forense, seguridad). Estas son situaciones en las que se necesita tener múltiples copias de una cierta porción de la molécula de ADN y las técnicas de PCR permiten la síntesis de múltiples copias de una parte específica (a menudo un 'gen') de ADN. La síntesis de ADN se logra mediante la enzima ADN polimerasa, una enzima que se encuentra en todas las células. En el proceso normal que llevan a cabo todas las células, dos enzimas (topoisomerasa, helicasa) separan una porción de ADN bicatenario en dos cadenas simples y la ADN polimerasa es entonces capaz de extender cadenas de ADN complementarias a cada una de las cadenas simples que se han revelado. En la PCR, se usa calor para separar ('fundir') el ADN bicatenario en cadenas simples. Después la mezcla se enfría ligeramente para permitir que uno de los dos 'cebadores' se una (aparearse) a las hebras simples. Los cebadores son dos secuencias cortas de ADN monocatenario (una por cada cadena) complementarias a cada extremo del gen que se va a copiar. La hibridación de los cebadores produce un “punto de partida” de dos cadenas a partir del cual la ADN polimerasa puede agregar nucleótidos, extendiendo allí una molécula de ADN complementaria a la cadena sencilla existente. La ADN polimerasa de Thermus aquaticus (llamada 'polimerasa Taq') es útil en este proceso porque se puede calentar a una temperatura lo suficientemente alta como para fundir el ADN pero aún es capaz de funcionar. La máquina de PCR (llamada 'termociclador') realiza ciclos repetidos de alta temperatura, fundiendo el ADN bicatenario, luego enfriando ligeramente para permitir que las secuencias del cebador se unan a la cadena simple, y permitiendo así que la polimerasa Taq trabaje para extender la cadena del cebador de una manera complementaria a la de una sola hebra. Este proceso (un ciclo térmico) se repite varias veces para obtener múltiples copias del ADN en estudio. Aunque la técnica es factible usando polimerasas no de bacterias termófilas, se tendría que añadir enzima adicional después de cada calentamiento porque la mayoría de las enzimas son destruidas por las temperaturas requeridas para fundir el ADN bicatenario. La polimerasa Taq se puede agregar al principio y se mantiene estable a través de los múltiples ciclos (generalmente alrededor de 30) necesarios para producir suficiente (¡generalmente millones!) copias del gen.

Técnica de PCR 1 = fusión (T ~ 90°C, 2 = hibridación (T ~ 55°C, 3 = extensión (T~ 72°C. Obsérvese que hay dos cebadores, uno para cada hebra. En el ciclo 1 se muestran tanto antes (centro) como después de la extensión (lado derecho). Después del ciclo #1 solo se muestran los productos finales después de ese ciclo. Obsérvese que la ADN polimerasa se mueve de 3 'a 5'.