¿Qué pasaría si una enzima tuviera muchos enlaces disulfuro por lo que todavía podría funcionar a temperaturas tan altas como 700 C? ¿Podríamos ser diseñados para sobrevivir en planetas considerados demasiado calientes para la supervivencia humana?

No es un principiante. La actividad enzimática depende no solo de que la enzima tenga la forma correcta para unir sus sustratos, sino también de que tenga la propensión correcta a alterar su forma después de esa unión, a fin de reducir la energía de activación de la reacción que cataliza. Ese cambio de forma (“conformación” es el término técnico) se vería obstaculizado por cualquier cosa que obstaculice el cambio de forma resultante de la alta temperatura, ya sean enlaces disulfuro o cualquier otra cosa. Por supuesto, esto no es una exclusividad mutua inescayable, o bien no tendríamos bacterias termófilas, pero la única forma de salir de ella es desarrollar un montón de cambios perjudiciales individualmente (y no identificables) que trabajen juntos para obtener el mejor de ambos mundos.

Parece que hay una variedad de preguntas aquí:

(1) ¿Un aumento en la cantidad de aminoácidos que contienen azufre en una proteína mejora las propiedades térmicas de dicha proteína?
(2) ¿Es posible aumentar la estabilidad estructural de las proteínas lo suficiente como para mantener su estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria en (i) agua hirviendo y (ii) 700+ C?
(3) Si se pudieran mejorar las propiedades térmicas de una proteína de manera que se pudiera acceder a esas temperaturas, ¿se seguiría entonces que los humanos podrían ser ‘diseñados’ para sobrevivir en esos ambientes?

Voy a abordar cada pregunta por separado:

Con respecto a la pregunta / aseveración (1), hay una variedad de mecanismos que alteran los umbrales termoquímicos en los que las proteínas comienzan a convertirse de una estructura a otra. Los enlaces disulfuro entre los aminoácidos que contienen azufre son solo uno de estos mecanismos: los enlaces de hidrógeno, los efectos estéricos, las interacciones de los solventes, entre otros, también son importantes. No estoy seguro de cuál de estos efectos domina para la estabilidad térmica, pero si el caucho vulcanizado es una guía, sospecho que los enlaces disulfuro seguirán siendo razonablemente importantes.

Con respecto a la pregunta (2), si bien hay bastantes proteínas que conservan su estructura en agua hirviendo, existen muchas razones por las cuales es extremadamente improbable que cualquier tipo de estructura proteica pueda mantenerse a 700 C. Las razones son las siguientes:

• Las amidas tienden a someterse a termólisis a alrededor de 300 C; esta es una reacción autolítica, por lo que no hay mucho que pueda hacer para prevenirla. Dado que las proteínas son poliamidas, comenzarán a descomprimirse mucho antes de alcanzar su objetivo.
• La química del agua cambia bastante significativamente a medida que pasa el punto crítico (alrededor de 375 C y 220 atm). El Kw comienza a caer bastante precipitadamente, lo que atacará la estructura de la proteína a través de la hidrólisis y la protonación (que cambiará la red de enlaces de hidrógeno).
• Con la mayor presencia de hidronio (debido a la disminución de Kw), también habrá condiciones excelentes para la carbonización hidrotérmica (HTC). HTC convierte la mayoría del material orgánico en algo similar al coque o coque de petróleo.

Con respecto a la pregunta (3), es extremadamente improbable que, incluso si identifique un mecanismo para retener la estructura de la proteína en tales extremos térmicos, pueda incorporar ese mecanismo a las proteínas humanas existentes sin alterar considerablemente la forma en que las proteínas humanas existentes función. Los sitios activos de las proteínas pueden ser sorprendentemente sensibles incluso a pequeñas modificaciones en la estructura de la proteína lejos del sitio activo. Como resultado, la aplicación de dicho operador mecanicista a todas las proteínas dentro de un humano casi con certeza llevaría a algo que no caminase, hablara o graznara como un humano.

Adición: su referencia para la temperatura a la que se recomienda neutralizar los priones describe las prácticas de incineración. El momento de la incineración es un factor crítico en la determinación de la temperatura apropiada, ya que la desnaturalización de proteínas es un proceso mediado térmicamente de decaimiento exponencial (es decir, la vida media disminuye a medida que aumenta la temperatura). Como tal, sospecho que las temperaturas enumeradas en la referencia de CDC fueron elegidas por conveniencia, y que, con el tiempo suficiente, los priones podrían desnaturalizarse a temperaturas muy por debajo de los 1000 C.

Es, creo, razonablemente claro a partir de los estudios de las bacterias hipertermófilas que hay una serie de fuerzas que hacen que las enzimas sean más estables a altas temperaturas. El enlace disulfuro es solo un aspecto, ¡y no está claro que sea el más importante! Aquí hay una revisión de acceso abierto si le interesa leer sobre los diversos mecanismos moleculares de la termoestabilidad: Página en asm.org

Aunque los enlaces disulfuro proporcionan cierta medida de estabilidad a las proteínas, no está claro que pueda agregar cargas de enlaces disulfuro sin consecuencias adversas para la función de la proteína. Y, todavía no comprendemos por completo la maquinaria molecular para la formación de enlaces disulfuro en células humanas … recuerde que cuando tiene más de 2 cisteínas en una proteína, comienza a tener múltiples opciones para la conectividad con enlaces disulfuro (Cys1-2 + Cys3-4? o Cys1-3, Cys2-4? o Cys1-4, Cys2-3? qué enlaces disulfuro deben hacerse para dar a la proteína la estructura final correcta? y qué sistemas existen para isomerizarlos si se forman incorrectamente?) Pero, importante, los enlaces disulfuro se encuentran normalmente en las proteínas que se exportan: el citoplasma es un entorno reductor, y existen sistemas, incluidos glutatión / glutaredoxinas, que tienen como objetivo mantener las cisteínas en un estado reducido. La arquea hipertermófila ha estado evolucionando los sistemas para estabilizar sus proteínas durante mucho, mucho tiempo y tiene los sistemas para formar los enlaces disulfuro correctos en las proteínas citoplasmáticas … Dudo que se puedan tomar organismos mesófilos como los humanos, empalmar en un pocos enlaces disulfuro, y esperan que los sistemas simplemente sigan funcionando alegremente bien.

Ciertamente, hay hipertermófilos que tienen enzimas que son activas a temperaturas superiores a 100 ° C … y estas enzimas pueden (normalmente) expresarse en organismos mesófilos como E. coli y conservar sus propiedades térmicas. Sin embargo, sería una locura intentar diseñar genéticamente un organismo completo tan complejo como un humano para cambiar todas las enzimas a hipertermófilas. Y su idea de 700C no es realista … basado en estudios de hipertermófilos, parece que el límite de temperatura superior para mantener la vida probablemente esté en algún lugar en el rango 113C-115C, y probablemente no mucho más.

En resumen: los enlaces disulfuro no son lo único que estabiliza las proteínas; agregar enlaces disulfuro a proteínas de cualquier manera probablemente resultaría en algún tipo de sopa unida a disulfuro, con proteínas mal plegadas debido a problemas para lograr la conectividad de enlace disulfuro correcto, y la ingeniería genética para modificar todas las proteínas humanas para ser termoestables está lejos, lejos , mucho más allá del alcance de lo que es posible. Entonces … no.

Las proteínas, estables a una temperatura tan alta como 700 C, son inesperadas. Si tiene pruebas científicas, entonces cite.
El objetivo básico del campo del diseño de proteínas es diseñar nuevas estructuras de proteínas con la función deseada (enzimática, suministro de fármacos, tratamiento de enfermedades, etc.). Nadie piensa en el día de la condena todavía 🙂
Los recientes avances en el campo nos han permitido diseñar con mayor tasa de éxito. Aunque es un largo camino por recorrer.
Aquí hay algunos documentos interesantes:

1. Diseño computacional de nanomateriales proteicos autoensamblables con precisión de nivel atómico
2. Diseño de un nuevo pliegue de proteína globular con precisión de nivel atómico
3. Diseño de Proteína De Novo: Selección de Secuencia Completamente Automatizada

Es muy probable que dicho cambio reduzca o destruya la actividad de la enzima, también muy difícil de predecir. Además, dependiendo de la enzima, una cierta cantidad de cambio conformacional es probablemente crítica para su función. Esta es la razón por la que al intentar diseñar funciones como termoestabilidad es más popular usar enfoques de tipo de evolución dirigida en lugar de diseño racional (incluso más popular con enzimas termoestables es tomar la enzima de un organismo termoestable si es posible, como se ha hecho con ADN polimerasas utilizado en PCR, que supongo que es lo que quería decir con “enzimas de ADN”).

También las temperaturas de las que estás hablando son extraordinariamente altas, no conozco ningún termófilo que sobrepase los ~ 120 ° C. Por lo tanto, para lograr temperaturas tan altas, probablemente necesite desarrollar su enzima in vitro. También es muy probable que la termoestabilidad en este rango mientras se conserva la función sea imposible.

Los priones son, mal definidos, proteínas mal plegadas más cercanas a una toxina que a un virus. La estabilidad de la estructura de la proteína es un requisito previo para su existencia, pero no dice casi nada acerca de su utilidad.

Incluso si su hipótesis es sólida, tendría que modificar cada proteína y enzima en nuestros cuerpos, la creación de una especie completamente nueva. Es mucho menos esfuerzo crear una lata con aire acondicionado que pueda despegar desde Cabo Cañaveral.

Y, en base a lo que sabemos sobre los extremófilos, bacterias del fondo del océano que se alimentan de amoníaco y soportan presión desconcertante, por ejemplo, mientras viven sobre respiraderos de magma, no lo hacen tan caliente al nivel del mar, si no lo hacen me importa el juego de palabras. Entonces probablemente perderían la habilidad de sobrevivir en la tierra.

‘Combustión humana espontánea’ es un nombre inapropiado; implica que no hay una causa externa real cuando todos los estudios han concluido que la causa es simplemente desconocida, una cosa muy diferente. Casi todos los casos históricos se han relacionado con objetos cercanos, ya sea en el fuego (por ejemplo, cigarrillos) o son capaces de prenderse fuego (por ejemplo, lámparas). Donde no hay una causa de fuego encontrada, podría ser que el objeto inicial haya sido diezmado en el incendio.

Las personas que sobreviven a los incendios no lo hacen porque sus proteínas pueden soportar altas temperaturas. Sus proteínas aún están desnaturalizadas al contacto con calor extremo. La diferencia es una buena atención médica y una respuesta efectiva del cuerpo para reparar el daño de las quemaduras.