Nanomecánica del celulosoma: Implicaciones para la actividad del sistema

• Autores: Albert Galera Prat
• Directores de la Tesis: Mariano Carrión Vázquez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2016
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: José López Carrascosa (presid.), Jorge Alegre Cebollada (secret.), Fernando Publio Molina Heredia (voc.), Mercedes Ballesteros Perdices (voc.), Felix Ritort Farran (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Mecánica
      • Medida de propiedades mecánicas
  • Ciencias de la vida
    • Biofísica
    • Biología molecular
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • La celulosa es el biopolímero y la fuente de carbono más abundante de la biosfera. Está compuesta por glucosa, un azúcar que puede ser procesado por microorganismos para producir productos químicos con valor añadido como los biocombustibles. El mayor cuello de botella para su utilización industrial se encuentra en el paso de la sacarificación, es decir, la degradación de este polímero para liberar los azúcares solubles constituyentes. En la naturaleza este proceso lo llevan a cabo algunos microorganismos que presentan una maquinaria enzimática especializada. En particular, algunas bacterias anaerobias han desarrollado un complejo conocido como celulosoma que comprende una proteína de elevado peso molecular y generalmente no catalítica llamada escafoldina, capaz de unir varias enzimas y dirigirlas al sustrato a la vez que las ancla a la superficie celular.

    Por el hecho de tratarse de un sistema de adhesión, es de esperar que el celulosoma esté sometido a estrés mecánico dado que el movimiento relativo de la bacteria respecto al sustrato podría estirar la región conectora: la porción de la escafoldina que se encuentra entre los dos puntos de anclaje. Propusimos la hipótesis de que la estabilidad mecánica, es decir, la resistencia al desplegamiento por fuerza, de esta región puede ser importante para entender la actividad del celulosoma. Esto es debido a que el desplegamiento de las cohesinas, los módulos de la escafoldina capaces de unir enzimas, podría conducir a una pérdida de actividad.

    Hemos empleado espectroscopia de fuerza de moléculas individuales mediante microscopía de fuerza atómica en combinación con simulaciones de dinámica molecular para estudiar las propiedades mecánicas de varios módulos cohesina de distintos celulosomas. Hemos observado que las cohesinas situadas en la región conectora presentan una mayor estabilidad mecánica comparada con la de aquellas que no se espera que estén sometidas a estrés mecánico. Este principio es aplicable a las cohesinas de distintos celulosomas a pesar de las diferencias de secuencia entre ellas. También hemos estudiado el efecto de las secuencias intermodulares y de la unión a enzimas sobre la estabilidad mecánica de las cohesinas, que son elementos que se encuentran en los celulosomas naturales. Hemos visto que ni la estabilidad mecánica de las cohesinas ni la posición de su parche mecánico se ven afectados por estos factores.

    Finalmente hemos empleado mini-celulosomas con una única cohesina unidos tanto a micropartículas como a la superficie de células de Escherichia coli para estudiar la relación entre la estabilidad mecánica de las cohesinas y la actividad del celulosoma. Hemos observado que cuando una cohesina de baja estabilidad mecánica se sitúa en la región conectora de una escafoldina, la actividad del complejo resultante se ve reducida. Esto plantea un criterio para el diseño de celulosomas artificiales para aplicaciones industriales teniendo en cuenta la estabilidad mecánica de las proteínas como nuevo parámetro biotecnológico.