Producción de biomasa mediante el ciclo inverso del ácido cítrico
La vía metabólica central funciona "al revés" con altas concentraciones de dióxido de carbono
Un equipo de investigación de la Universidad de Münster y la Universidad Técnica de Múnich (TUM) ha obtenido nuevos conocimientos sobre el ciclo del ácido cítrico: A concentraciones muy elevadas de dióxido de carbono, las bacterias también pueden utilizar esta vía metabólica central "al revés" para construir compuestos útiles a partir del dióxido de carbono utilizando la enzima citrato sintasa. Es posible que estos descubrimientos también puedan utilizarse biotecnológicamente.
El coautor Thomas M. Steiner y el cromatógrafo de gases con espectrómetro de masas acoplado, con el que analizó los productos metabólicos.
Thomas Geisberger / TUM
El ciclo del ácido cítrico es una importante vía metabólica que permite a los organismos vivos -desde las simples bacterias hasta los seres humanos- generar energía degradando compuestos orgánicos en dióxido de carbono (CO₂). El primer paso del ciclo suele ser realizado por la enzima citrato sintasa, que genera citrato.
Pero, en condiciones anaeróbicas, en ausencia de oxígeno, algunas bacterias pueden realizar el ciclo en orden inverso: Pueden acumular biomasa a partir de CO₂. En este ciclo del ácido cítrico invertido, la citrato sintasa es sustituida por la ATP-citrato liasa, que consume el portador de energía universal de las células, el adenosín trifosfato (ATP), para escindir el citrato en lugar de formarlo.
Sin embargo, hace unos años, un equipo de investigación dirigido por Ivan Berg (Universidad de Münster) y Wolfgang Eisenreich (Universidad Técnica de Múnich) descubrió que, en lugar de necesitar la ATP-citrato liasa para el ciclo inverso, algunas bacterias anaerobias pueden utilizar la propia citrato sintasa para catalizar la escisión del citrato, sin consumir ATP.
¿Qué determina la dirección del ciclo del ácido cítrico?
Para su último trabajo, publicado ahora en la revista Nature, los investigadores estudiaron las bacterias anaerobias Hippea maritima y Desulfurella acetivorans. Estos organismos viven sin oxígeno en las aguas termales, donde la concentraciónde CO2 puede ser del 90 por ciento o más.
Una de las cuestiones principales de su investigación actual era qué factor determina si el ciclo del ácido cítrico se desarrolla "hacia delante" o "hacia atrás" en la bacteria. Al cultivar las bacterias en diferentes condiciones, observaron que el crecimiento de estos organismos dependía en gran medida de la concentración de CO₂ en la fase gaseosa.
Las Hippea maritima y Desulfurella acetivorans estudiadas eran capaces de crecer muy bien con un 20% y un 40% de CO₂ en la fase gaseosa, pero sólo moderadamente con un 5% de CO₂, y no era posible el crecimiento con un 2% o un 1% de CO₂. Como control, los científicos estudiaron otra bacteria autótrofa, Desulfobacter hydrogenophilus, que utiliza la versión ATP-citrato liasa del ciclo del ácido cítrico invertido, energéticamente más costosa. En esta bacteria, el crecimiento no se vio afectado por la concentración de CO₂.
La alta concentración de CO₂ era necesaria para permitir la función de otra enzima importante, la piruvato sintasa. Esta enzima se encarga de ensamblar acetil coenzima A (acetil-CoA), el producto del "ciclo invertido". La alta concentración de CO₂ impulsa la reacción de la piruvato sintasa en la dirección de la carboxilación y todo el ciclo al revés, lo que permite convertir el CO₂ en biomasa.
Cambio rápido sin regulación genética
El "ciclo hacia atrás" que utiliza la citrato sintasa para la escisión del citrato no puede predecirse bioinformáticamente, ya que no cuenta con las enzimas clave cuya presencia puede utilizarse como marcador del funcionamiento de la vía. Por lo tanto, como característica de identificación para los análisis bioinformáticos, los científicos utilizaron los altos niveles detectados de citrato sintasa en el cóctel de proteínas de estas bacterias.
Mediante una herramienta de análisis especial, los investigadores pudieron predecir los niveles de producción de las proteínas individuales. Con este truco, fue posible predecir el funcionamiento del "ciclo inverso" para la fijación del carbono inorgánico en muchas bacterias anaerobias.
Los científicos también demostraron que no era necesaria ninguna regulación genética para cambiar del sentido oxidativo ("hacia delante") al reductor ("hacia atrás"). "Esto significa que las células pueden reaccionar muy rápidamente a la disponibilidad de la fuente de carbono en el entorno", afirma Ivan Berg. "Utilizan la dirección reductora para fijar el CO₂, si la concentración de CO₂ es alta, o la dirección oxidativa, si hay otra fuente de carbono disponible".
El ciclo inverso del ácido cítrico es más común de lo esperado
"Es concebible que muchos otros organismos utilicen este ciclo para captar CO₂", afirma Ivan Berg. "Nuestros hallazgos están en consonancia con los resultados de varios estudios recientes que ponen de relieve una posible ocurrencia generalizada de este ciclo oxidativo del ácido cítrico invertido".
Los investigadores suponen que estas vías dependientes de la concentración de CO₂ podrían haber estado muy extendidas en la Tierra primigenia, ya que la concentración de CO₂ era elevada en aquella época. Por tanto, esta vía metabólica podría ser una reliquia de la vida primitiva.
Como alternativa a la recién descubierta ruta del ciclo inverso del ácido cítrico a través de la citrato sintasa, muchas bacterias utilizan la ruta energéticamente menos eficiente a través de la reacción de la citrato liasa, que consume ATP, para la escisión del citrato.
"Era un misterio por qué existe esta versión 'cara' de la vía si es factible una alternativa energéticamente mucho más barata a través de la reacción inversa de la citrato sintasa. Ahora sabemos que se debe a las bajas concentraciones de CO₂ en muchos entornos. La alternativa barata no funciona allí", subraya Wolfgang Eisenreich.
Estos hallazgos también podrían ser de interés para la biotecnología. Al saber que los organismos autótrofos que utilizan este "ciclo inverso" dependen de la concentración de CO₂, los científicos pueden aplicarlo para convertir de forma más eficiente los sustratos en productos de valor añadido.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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