Deinococcus radiodurans

D.radiodurans va ser descobert accidentalment al 1956 en un aliment enllaunat que havia rebut la radiació gamma suficient com per eliminar a qualsevol microorganisme present (Anderson i col, 1956). Des de llavors, s’ha intentat cercar la raó que expliqui l’origen d’aquesta resistència. Quins mecanismes utilitza aquest organisme per ser immune a les radiacions? Es pot utilitzar aquest bacteri per a la bioremediació i altres aplicacions d’interès? Anem-ho a veure!

DESCRIPCIÓ 

El bacteri Deinococcus radiodurans forma part del domini Bacteria, fílum Deinococcus-Thermus, ordre Deinococcales, família Deinococcaceae, gènere Deinococcus i espècie radiodurans (Brooks & Murray, 1981).

Aquest bacteri és l’organisme més resistent a la radiació ionitzant i llum ultraviolada, de fet pot resistir fins a 10.000 Gy (unitats de radiació), mil vegades més a la que pot resistir un humà (DeWeerdt, 2002).

És un bacteri poliextremòfil, és a dir, pot sobreviure en ambients extrems.Tanmateix, el seu ambient òptim es troba a temperatures d’entre 30-37ºC. S'ha trobat a tot tipus d'ambients com en aigües termals, en zones alpines, als deserts, a l'Antàrtida i en intestins d'animals (Dea Slade and Miroslav Radman, 2011).

Figura 1. Tètrade de D.radiodurans

És un bacteri pigmentat, de color vermell i esfèric (Ø= 1,5 a 3,5 µm). Generalment solen agrupar-se en forma de parelles o tètrades, dues o quatre cèl·lules que s'adhereixen entre si. No formen endòspores i no són mòbils. No presenta patogènia. 

Metabòlicament es caracteritza per ser un bacteri quimioorganoheteròtrof i aeròbic obligat. D.radiodurans és un bacteri gram positiu, encara que posseeix un complex embolcall cel·lular similar al dels bacteris gram negatius.

El seu genoma té una mida de 3,25 Mb i consta de dos cromosomes circulars i dos plasmidis. Té al voltant de 3195 gens. Cap investigació actual mostra si aquests plasmidis contribueixen específicament a la funcionalitat o a la virulència. No obstant, en la seva fase estacionària, cada cèl·lula bacteriana conté quatre còpies d'aquest genoma i quan es troba en divisió activa podem trobar entre 8 i 10 còpies del genoma. Té dos cromosomes estretament empaquetats i permanentment entrecreuats. A més, el seu genoma té un contingut del 66,6% de G-C, formant ponts d’hidrogen més forts que els de A-T, estabilitzant més el DNA (Daly, M.J, 2000).

RADIACIONS QUE AFECTEN AL DNA: ultraviolades i rajos gamma

Figura 2. Com afecten als nivells de radiació a espècies diferents.
A l'eix de les abscisses s'hi indica el número aproximat de DSBs al
nivell de radiació (dose) que mata un 90% dels organismse.

La radiació ultraviolada és altament mutagènica i provoca majoritàriament la formació de dímers de timina. La cèl.lula repara aquestes mutacions mitjançant l’enzim fotoliasa (fotoreactivació) que actua només en presència de llum.

La radiació per rajos gamma produeix aparellaments de bases incorrectes i trencament de la doble cadena provocant la mort cel·lular.

CARACTERÍSTIQUES QUE CONFEREIXEN RESISTÈNCIA A D.radiodurans
 
Els mecanismes de reparació del DNA en D.radiodurans no difereixen gaire dels de la resta de bacteris però sí que ha patit diverses adaptacions per reparar més eficientment greus danys al seu genoma:

 -Pigmentació: el seu color vermell ve donat per pigments carotenoides. Tot i que aquests pigments no són essencials per la resistència a la radiació, si no hi són presents el bacteri és més sensible a aquesta. Aquests pigments sí que ofereixen una protecció al DNA contra els agents oxidants (Tian, B et al, 2007).

-Paret cel.lular: l'envolta de D.radiodurans és molt complexa. Està formada per la membrana plasmàtica, una capa de peptidoglicà, una membrana externa semblant als bacteris grams negatius (tot i que no presenta ni lipids A ni espai periplasmàtic) i una capa S cristal·lina. Possiblement aquest embolcall fa la funció d’un filtre enfront les radiacions, disminuint la seva intensitat. (Makarova et al, 2001).

Figura 3. Forma toroidal

-Forma toroidal del genoma: generalment el genoma de D.radiodurans conté de 4 a 10 copies del seu genoma. La resistència no depèn del número de còpies, sinó que en tingui suficients per dur a terme una recombinació més eficaç. El genoma està empaquetat de forma toroidal. Aquest empaquetament que manté els cromosomes permenentment entrecreuats evita que els fragments produits per altes dosis de radiació es difonguin per tot el citoplasma, permetent una recombinació més ràpida.


-Presència de Mn: les radiacions ionitzants produeixen radicals lliures a la cèl.lula i el Mn actua protegint les biomolècules d'aquests (Dea Slade and Miroslav Radman, 2011).

Figura 4. Protecció del manganès en front als agents oxidants
sobre bases nitrogenades (blau), grups fosfat (vermell) i aminoàcids (verd).

 

-Mecanismes de reparació del DNA: 

Per recuperar la integritat genòmica després de ser irradiat, D.radiodurans reconstrueix els fragments de les còpies del seu genoma, el qual torna a recuperar la forma toroidal altament resistent a les radiacions ionitzants.  
Els sistemes de reparació de D.radiodurans no difereixen molt de la resta de bacteris. Tanmateix aquest no posseeix el complex RecBCD, és per aquest motiu que utilitza altres rutes alternatives.
El sistema de reparació de D.radiodurans inclou dos processos. El primer serveix per reparar la doble cadena a partir dels fragments disponibles de cromosoma (ESDSA) i el segon consisteix en recombinar els fragments units mitjançant la RecA convencional (ruta RecFOR) (Bentchikou et al., 2010).
 

• ESDSA (extended synthesis-dependent strand annealing): 

A la figura 5 s'observa el sistema ESDSA que utilitza D.radiodurans per reparar el seu DNA. Quan es produeix un trencament del DNA (1) intervé l'exonucleasa RecJ deixant lliures els extrems 3' (2). Posteriorment la RecA i la RadA s'uneixen en aquests extrems fent possible la invasió de cadena (3). La síntesi del DNA és iniciada i elongada per la Pol III i la Pol I detecta i repara el lloc del trencament (4A). La Pol I també pot actuar en l'elongació de la cadena sense la necessitat de la Pol III (4B). Seguidament els diferents fragments són units mitjançant un pont (5). Les cadenes novament sintetizades a partir de la cadena envaïda es dissocien, formant extrems lliures de ssDNA que contenen les seqüències perdudes per la cadena trencada per radiació (6). Posteriorment, aquestes fragments de ssDNA s'uneixen entre ells per complementarietat de bases, recuperant la doble cadena de DNA que s'havia perdut anteriorment (7). El complex SbcCD elimina les cues de ssDNA no necessàries per la recuperació de la cadena i una polimerasa elimina les osques (8). Els fragments reconstituïts llargs s'uneixen amb la proteïna RecA abans de recircularitzar els cromosomes i plasmidis (9).

Figura 5. Mecanisme de reparació del DNA, ESDSA.

• RUTA RecFOR:

Tal i com s'ha comentat D.radiodurans no té el complex RecBCD i per això segueix una ruta alternativa, la ruta RecFOR. La figura 6 descriu aquesta via. Aquesta conté quatre proteïnes, la Rec O, F, R i J que són essencials pel creixement normal de la cèl·lula i per a la reparació per recombinació homòloga.
La UvrD desenrotlla el final dels DSBs en direcció 3'-5' i la RecJ digereix l'extrem 5' (1).La Rec J és la única exonucleasa 5’-3’ en D.radiodurans. Les SSB recobreixen la cadena amb l'extrem 3' lliure (2). La RecF s'uneix a la ssDNA i al dsDNA (3) i activa l'assemblatge del complex RecOR (4) a la intersecció. RecOR fa marxar a les proteines SSA i això permet l'entrada de la RecA a la cadena simple que té l'extrem 3' lliure (5). La RecA promou l'intercanvi de cadena ja que crea un filament nucleoproteic que busca el fragment homòleg en el DNA. 

Figura 6. Model del processament de DSBs mitjançant la ruta RecFOR.

BIOREMEDIACIÓ 

El fet que aquest bacteri sigui tan resistent a la radiació ha fet que molts científics estiguin buscant com aquest bacteri pot ser utilitzat per a la bioremediació. 
L'aplicació més important en D.radiodurans és l’eliminació de deixalles radioactives i metalls pesants en ambients on no sobreviuria cap altre ésser viu. D.radiodurans no pot eliminar per si sol cap tipus de compost radioactiu, però altres bacteris sí. Mitjançant l’enginyeria genètica s’ha aconseguit crear D.radiodurans transgènics amb gens d’altres bacteris com per exemple Shewanella oneidensis, que són capaços d’eliminar eficientment compostos d’urani i crom però no sobreviuen a les altes dosis de radiacions provinents d’aquests. A més, s'ha comprovat que l’alta flexibilitat del genoma del bacteri i la seva elevada eficiència en la recombinació permet acoplar gran varietat de gens resistents a compostos radioactius i metalls pesants sense que se'n vegi afectada l'expressió (Daly, M.J, 2000).

Amb aquest avenç moltes zones contaminades amb alts nivells de radiació podrien ser recuperades.

CONCLUSIONS

La resistència que posseeix D.radiodurans enfront les radiacions no es basa en evitar el dany que aquestes provoquen en el material genètic sinó en reparar aquests danys d'una manera molt eficient. A més, aquest bacteri ha patit una sèrie d'adaptacions que li permeten protegir la seva maquinària de reparació i altres proteïnes d'interès. Es pot concloure que la suma de les diferents característiques confereixen aquesta resistència al bacteri.

Els darrers anys l'espècie humana s'ha dedicat a contaminar els ambients amb diferents compostos tòxics, molts dels quals radioactius. Aquestes zones no s'han pogut recuperar  ja que no es disposava de tècniques o mecanismes que suportessin aquest alt nivell de radiació. Actualment s'ha aconseguit transformar D.radiodurans amb gens d'altres bacteris amb la capacitat de degradar compostos tòxics. D'aquesta manera es pot actuar sobre aquestes  zones contaminades eliminant part dels productes tòxics. 

L'existència i la resistència d'aquest bacteri ens pot fer replantejar la presència de vida a altres planetes en condicions diferents a les de la Terra. Així doncs, no podríem descartar la presència de vida a altres planetes amb alt nivell de radiació. 


Autors del Blog: 
Anna Bagó, Maria Calderó, Arnau Carreño, Robert Clarke i  Alex Fernández.


BIBLIOGRAFIA

-Anderson A.W., Hordan H.D, Cain R.F., Parrish G. i Duggan D. (1956). Studies on a radio.resistant Micrococcus. I. Isolation, morphology, cultural characteristics and resistance to gamma radiation. Food Technol. 10(12): 575-578 

-Bentchikou E, Servant P, Coste G, Sommer S. Université Paris-Sud 11, CNRS UMR 8621, LRC CEA 42V, Institut de Génétique et Microbiologie, Orsay, França.(2010). A major role of the RecFOR pathway in DNA double-strand-break repair through ESDSA in Deinococcus radiodurans. Recuperat el 2 d’abril de 2013 des de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20090937

 -B. W. Brooks i R. G. R. Murray. (1981). Nomenclature for “Micrococcus radiodurans” and Other Radiation-Resistant Cocci: Deinococcaceae fam. nov. and Deinococcus gen. nov., Including Five Species, International journal of systematic bacteriology. Vol. 31, No. 3, p. 353-360. Recuperat 18 d'abril de 2013, des de http://ijs.sgmjournals.org/content/31/3/353.full.pdf+html
 
-Cao Z, Mueller CW, Julin DA. Department of Chemistry and Biochemistry, University of Maryland, College Park, MD 20742, USA. (2009). Analysis of the recJ gene and protein from Deinococcus radiodurans. Recuperat el 30 de març de 2013 des de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19944654

-Cox, M.M. i Battista, J.R. (2005). Deinococcus radiodurans the consumate survivor. Nature Publishing Group. Vol. 3. p. 882-892. Recuperat el 3 d’abril de 2013 des de http://www.biochem.wisc.edu/faculty/cox/lab/publications/pdfs/cox_battista05.pdf 


-Daly, M. J., and K. W. Minton. (1996). An alternative pathway of recombination of chromosomal fragments precedes recA-dependent recombination in the radioresistant bacterium Deinococcus radiodurans. Journal of Bacteriology. Vol. 178, No. 15, p. 4461–4471. Recuperat el 18 d'abril de 2013, des de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC178212/pdf/1784461.pdf

-Daly, M.J. (2000). Engineering radiation-resistant bacteria for environmental biotechnology. Current Opinion in Biotechnology, 11:280–285. Recuperat el 18 d’abril de 2013, des de http://www.usuhs.edu/pat/deinococcus/pdf/biremediation.pdf

-Daly, M.J. (2004). Department of Pathology, Latest Deinococcus radiodurans research. Uniformed Services University of the Health Sciences. Recuperat el 12 d'abril de 2013, des de
http://www.usuhs.edu/pat/deinococcus/dradioduransgenome.html

-Griffiths, Anthony J. F. (DL 2008 ). Genética (9 ed.). Madrid: McGraw-Hill/Interamericana de España.

-Makarova, K.S. et al. (2001).  Genome of the Extremely Radiation-Resistant Bacterium Deinococcus radiodurans Viewed from the Perspective of Comparative Genomics. Microbiology and molecular biology reviews. Vol 65, No. 1, p. 44-79. Recuperat el 18 d'abril de 2013, des de http://mmbr.asm.org/content/65/1/44.full.pdf

-Melanie B, Ulrich H, Suzanne S. (2008). Deinococcus radiodurans: What Belongs to the Survival Kit?. Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology. Vol. 43, no. 3, p. 221-238. Recuperat el 15 d’abril de 2013 des de http://informahealthcare.com/doi/pdf/10.1080/10409230802122274

-Seipp, R. (2002). Deinococcus radiodurans: Does this Bug Wear a Lead Vest or what?.  Microbiology and Immunology, University of British Columbia. Vol. 1. p. 57-62. Recuperat el 3 d'abril de 2013 des de http://www.bioteach.ubc.ca/Journal/V01I01/5762radioduran.pdf

-Slade, D. i Radman, M. (2011). Oxidative Stress Resistance in Deinococcus radiodurans, Microbiology and molecular biology reviews, Vol. 75, No. 1, p. 133–191. Recuperat el 15 d’abril de 2013, des de http://mmbr.asm.org/content/75/1/133.full.pdf+html

-Susan M. Rosenberg, Baylor College of Medicine (EUA). (2010). Rising from the Ashes: DNA Repair in Deinococcus radiodurans. Recuperat el 15 d’abril de 2013 des de http://www.plosgenetics.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pgen.1000815

-Tian, B. et al. (2007). Evaluation of the antioxidant effects of carotenoids from Deinococcus radiodurans through targeted mutagenesis, chemiluminescence, and DNA damage analyses. Biochim Biophys Acta 1770(6):902-11. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17368731 [PubMed].

-The World’s Toughest Bacterium: Deinococcus radiodurans may be a tool for cleaning up toxic waste and more. Sarah E. DeWeerdt. 2000. Genome News Network.  Recuperat el 9 març 2013, des de  http://www.genomenewsnetwork.org/articles/07_02/deinococcus.shtml