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Encapsulina

Las encapsulinas son una familia de proteínas bacterianas que sirven como componentes estructurales principales de los nanocompartimentos de encapsulina . [ 1 ] Existen varias p...

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Las encapsulinas son una familia de proteínas bacterianas que sirven como componentes estructurales principales de los nanocompartimentos de encapsulina . [ 1 ] Existen varias proteínas de encapsulina diferentes, incluyendo EncA, que forma la envoltura, y EncB, EncC y EncD, que forman el núcleo. [ 1 ] Se encuentran en bacterias y arqueas. Sirven como estructuras intracelulares que compartimentalizan reacciones bioquímicas específicas. Son sistemas altamente versátiles que protegen las proteínas de carga del daño ambiental y optimizan la eficiencia de los procesos enzimáticos.

Las encapsulinas se utilizan en biología sintética, microbiología, biología estructural, nanotecnología y biotecnología. Son difíciles de descubrir debido a su similitud con las proteínas de los fagos. [ 2 ]

Historia

Las encapsulinas fueron descubiertas en 1994 como una nueva clase de compartimentos procariotas. [ 3 ] Las células procariotas generalmente carecen de los compartimentos de membrana típicos de los eucariotas . En cambio, poseen numerosos compartimentos proteicos capaces de acumular una gran cantidad de moléculas. [ 3 ] Los sistemas de encapsulinas fueron identificados inicialmente mediante el uso de bioinformática que vinculó proteínas similares a cápsides con operones específicos en genomas bacterianos y arqueales . [ 4 ]

Cuando se descubrieron los nanocompartimentos proteicos en 1994, y posteriormente se les cambió el nombre a encapsulinas, se encontraron en el fluido sobrenadante del cultivo de Brevibacterium linens . [ 3 ] Esta bacteria está presente en la piel humana.

Desde 1994, se han identificado más de 6000 sistemas en 31 filos bacterianos y cuatro filos arqueales. [ 5 ] También se ha descubierto que las encapsulinas se encuentran en extremófilos que habitan fuentes hidrotermales. [ 6 ]

En 2008, las encapsulinas fueron identificadas como sistemas proteicos para la compartimentalización, desempeñando funciones específicas dentro de los organismos celulares. [ 4 ] Ese mismo año comenzaron a denominarse encapsulinas. Los recientes avances en metagenómica , microscopía crioelectrónica y cristalografía de rayos X han ampliado la diversidad conocida y revelado detalles más complejos sobre el ensamblaje y la funcionalidad de las encapsulinas.

Estructura

Las envolturas de encapsulina están formadas por complejos icosaédricos (12 vértices, 20 caras, 30 aristas) que se forman como resultado del autoensamblaje de protómeros . [ 3 ] Estas envolturas de encapsulina tienen diámetros entre 24 y 42 nm y se definen por el plegamiento HK97 de su proteína de envoltura. [ 4 ] El protómero con plegamiento HK97 tiene una forma aproximadamente triangular y consta de tres dominios conservados: el dominio axial, el dominio periférico y el bucle extendido. El tamaño y la simetría de la cápside se definen mediante un número de triangulación (T), que determina el número de subunidades en el ensamblaje. Por ejemplo:

  • Las encapsulinas T = 1 ( Thermotoga martima ) constan de 60 protómeros.
  • T = 3 encapsulinas ( Pyrococcus furiosus ) constan de 180 protómeros.
  • Las encapsulinas T = 4 ( Quasibacillus thermotolerans ) constan de 240 protómeros. [ 7 ]

Función

Las encapsulinas cumplen numerosas funciones fisiológicas, entre ellas la catálisis de reacciones especializadas que involucran especies reactivas, la desintoxicación de hierro y el almacenamiento de minerales, la respuesta al estrés oxidativo y el metabolismo secundario. También existen encapsulinas similares a la ferritina . [ 2 ] Las encapsulinas de bacterias y extremófilos pueden soportar un amplio rango de temperaturas y pH . Además, pueden modificarse genéticamente para que presenten proteínas de fusión de la envoltura expuestas en la superficie. [ 8 ]

Mecanismo de carga de mercancías

Las encapsulinas encapsulan selectivamente proteínas de carga mediante un mecanismo de direccionamiento. Utilizan péptidos de direccionamiento (TP) en el extremo C-terminal, presentes en las encapsulinas de la familia 1, y dominios de direccionamiento (TD) en el extremo N-terminal, presentes en las encapsulinas de la familia 2. Estos interactúan con el interior de la envoltura durante el autoensamblaje, lo que permite una carga precisa de la proteína. Este mecanismo se ha investigado para aplicaciones en biología sintética . [ 6 ]

Organización genómica

Los sistemas de encapsulina están codificados en operones junto con sus proteínas de carga y, a veces, junto con sus genes accesorios. Los operones se conservan en diversos organismos y pueden incluir:

  • Genes para una o varias proteínas de carga con péptidos de direccionamiento específicos.
  • Genes reguladores o accesorios que mejoran la funcionalidad o la interacción con otras vías metabólicas.
  • Genes que codifican la proteína de la envoltura de la encapsulina.

Clasificación

Los componentes de la cápside de la encapsulina se muestran en color púrpura. Las proteínas de carga se muestran en color verde azulado. Los componentes accesorios que no son de carga se muestran en gris. Las líneas punteadas indican los componentes opcionales del operón.

Las encapsulinas se pueden clasificar en cuatro familias diferentes según el tipo de carga y la estructura de su operón.

Familia 1

Es probable que estas encapsulinas hayan evolucionado en respuesta a la necesidad de mantener la homeostasis del hierro intracelular. Esta familia de encapsulinas suele encapsular peroxidasas de proteínas similares a la ferritina. [ 9 ] Se caracterizan por tener las proteínas de la envoltura de la encapsulina codificadas junto con proteínas similares a la ferritina como carga. Los operones suelen incluir genes para enzimas ferroxidasas , cruciales para la oxidación del hierro. Pertenecen a la familia Pfam (Proteína Encapsulante para Peroxidasa) y utilizan secuencias cortas de direccionamiento C-terminal (TP) para la carga. Esta familia de encapsulinas proporciona un entorno controlado para el almacenamiento y la desintoxicación del hierro, además de prevenir el estrés oxidativo.

Familia 2

Esta familia es la más grande. Sus sistemas se encuentran en múltiples filos bacterianos. Generalmente están asociados con varias enzimas de carga como cisteína desulfurasa , poliprenil transferasa , terpeno ciclasa y xilulosa quinasa . [ 6 ] Esta familia puede contener dominios de unión de nucleótido-monofosfato cíclico (cNMP) y usar dominios de direccionamiento N-terminal (TD) más grandes para la encapsulación de carga. [ 9 ] Esta familia se divide en las subfamilias 2A y 2B. 2A se distingue por la presencia de dominios de unión de cNMP. Esta familia de encapsulinas a menudo encapsula enzimas que están involucradas en el metabolismo del azufre y del carbono .

Familia 3

Esta familia es la familia de las cápsides de fagos. Estas encapsulinas se encuentran principalmente dentro de grupos de genes biosintéticos. [ 9 ] Están asociadas con vías específicas en Actinobacteria y Proteobacteria . Sus operones podrían interactuar con lípidos . Actualmente son putativas y carecen de validación experimental. [ 10 ]

Familia 4

Esta familia es la familia de proteínas encapsulinas que contienen el dominio DUF1884. [ 9 ] Tienen una forma truncada del pliegue HK97 y se consideran putativas, ya que su capacidad para autoensamblarse y encapsular proteínas de carga aún se desconoce. [ 10 ] Esta familia se limita a microorganismos termófilos y anaeróbicos de fuentes hidrotermales. Se hipotetiza que forman nanocompartimentos especializados adaptados a condiciones ambientales extremas.

Aplicaciones biomédicas y biotecnológicas

Las encapsulinas se han generalizado y están ganando cada vez más atención en aplicaciones de ingeniería biomolecular y de proteínas debido a sus fuertes propiedades de autoensamblaje y facilidad de ingeniería. Se utilizan y tienen un potencial significativo para:

  • Administración de fármacos: Diseñado para la administración dirigida de agentes terapéuticos. [ 10 ]
  • Imágenes: Funcionalizados para su uso como agentes de contraste para resonancia magnética.
  • Vacunas: Presentación en superficie de antígenos para el desarrollo de vacunas, por ejemplo, estudios de antígenos del SARS-CoV-2.
  • Biorreactores: Utilizados como nanocontenedores para reacciones enzimáticas. [ 3 ]
  • Biosensores: Aprovechar su especificidad de encapsulación mediante unión a metales para su uso como herramientas de diagnóstico.

Investigación actual

Las investigaciones recientes y en curso buscan descubrir nuevos sistemas de encapsulina mediante metagenómica y continuar explorando su potencial biotecnológico. En biología sintética, la investigación se centra en la ingeniería de sistemas de encapsulina para realizar tareas novedosas, como la síntesis de fármacos o la biorremediación . [ 8 ]

Referencias

  1. 1 2 McHugh CA, Fontana J, Nemecek D, Cheng N, Aksyuk AA, Heymann JB, Winkler DC, Lam AS, Wall JS, Steven AC, Hoiczyk E (septiembre de 2014). "Un nanocompartimento similar a la cápside viral que almacena hierro y protege a las bacterias del estrés oxidativo" . The EMBO Journal . 33 (17): 1896–911 . doi : 10.15252/embj.201488566 . PMC 4195785. PMID 25024436 .  
  2. 1 2 Kashif-Khan N, Savva R, Frank S (7 de marzo de 2024). "Extracción de datos metagenómicos para nuevos nanocompartimentos bacterianos". NAR Genomics & Bioinformatics . 6 (1) lqae025. doi : 10.1093/nargab/lqae025 .
  3. 1 2 3 4 5 Chmelyuk, Nelly S.; Oda, Vera V.; Gabashvili, Anna N.; Abakumov, Maxim A. (17 de febrero de 2023). " Encapsulinas: Estructura, propiedades y aplicaciones biotecnológicas" . Bioquímica (Moscú) . 88 (1): 35– 49. doi : 10.1134/S0006297923010042 . ISSN 0006-2979 . PMC 9937530. PMID 37068871 .   
  4. 1 2 3 Giessen, Tobias W. (2022-06-21). "Encapsulinas" . Annual Review of Biochemistry . 91 (1): 353– 380. doi : 10.1146/annurev-biochem-040320-102858 . ISSN 0066-4154 . PMC 9944552. PMID 35303791 .   
  5. ↑ Andreas, Michael P.; Giessen, Tobias W. (2021-08-06). "Descubrimiento y análisis computacional a gran escala de nanocompartimentos microbianos derivados de virus" . Nature Communications . 12 (1): 4748. Bibcode : 2021NatCo..12.4748A . doi : 10.1038/s41467-021-25071-y . ISSN 2041-1723 . PMC 8346489. PMID 34362927 .   
  6. 1 2 3 Jones, Jesse A.; Benisch, Robert; Giessen, Tobias W. (2023-05-24). "Carga de encapsulina: progreso y potencial" . Journal of Materials Chemistry B. 11 ( 20): 4377– 4388. doi : 10.1039/D3TB00288H . ISSN 2050-7518 . PMC 10225969. PMID 37158413 .   
  7. ↑ Gabashvili, Anna N.; Chmelyuk, Nelly S.; Efremova, Maria V.; Malinovskaya, Julia A.; Semkina, Alevtina S.; Abakumov, Maxim A. (2020-06-26). "Encapsulinas: nanocompartimentos de proteínas bacterianas: estructura, propiedades y aplicación" . Biomolecules . 10 (6): 966. doi : 10.3390/biom10060966 . ISSN 2218-273X . PMC 7355545. PMID 32604934 .   
  8. 1 2 Eren, Elif; Watts, Norman R.; Montecinos, Felipe; Wingfield, Paul T. (25 de mayo de 2024). "Proteínas similares a la ferritina encapsuladas: una perspectiva estructural" . Biomolecules . 14 ( 6): 624. doi : 10.3390/biom14060624 . ISSN 2218-273X . PMC 11202242. PMID 38927029 .   
  9. 1 2 3 4 Khan, Naail; Savva, Renos; Frank, Stefanie (2024). "pendingpublications" . apps.crossref.org . doi : 10.1093/nargab/lqae025 . Recuperado el 1 de diciembre de 2024 .
  10. 1 2 3 Jones, Jesse A.; Giessen, Tobias W. (7 de junio de 2021) [7 de junio de 2021]. "Avances en la biología e ingeniería de nanocompartimentos de encapsulina" . Biotecnología y bioingeniería . 118 (1): 491– 505. Bibcode : 2021BiotB.118..491J . doi : 10.1002/bit.27564 . ISSN 0006-3592 . PMC 8182298. PMID 32918485 .