La fermentación aeróbica o glucólisis aeróbica es un proceso metabólico por el cual las células metabolizan azúcares a través de la fermentación en presencia de oxígeno y ocurre a través de la represión del metabolismo respiratorio normal. La preferencia de la fermentación aeróbica sobre la respiración aeróbica se conoce como el efecto Crabtree en levaduras, [1] [2] y es parte del efecto Warburg en células tumorales . Si bien la fermentación aeróbica no produce trifosfato de adenosina (ATP) en alto rendimiento, permite que las células proliferantes conviertan nutrientes como la glucosa y la glutamina de manera más eficiente en biomasa al evitar la oxidación catabólica innecesaria de dichos nutrientes en dióxido de carbono , preservando los enlaces carbono-carbono y promoviendo el anabolismo . [3]
La fermentación aeróbica evolucionó independientemente en al menos tres linajes de levaduras ( Saccharomyces , Dekkera , Schizosaccharomyces ). [4] También se ha observado en polen de plantas, [5] tripanosomátidos, [6] E. coli mutada , [7] y células tumorales. [8] Las levaduras Crabtree-positivas respirarán cuando se cultiven con concentraciones muy bajas de glucosa o cuando se cultiven en la mayoría de las otras fuentes de carbohidratos. [1] El efecto Crabtree es un sistema regulador por el cual la respiración es reprimida por la fermentación, excepto en condiciones de bajo contenido de azúcar. [1] Cuando Saccharomyces cerevisiae se cultiva por debajo del umbral de azúcar y experimenta un metabolismo respiratorio, la vía de fermentación todavía se expresa completamente, [9] mientras que la vía de respiración solo se expresa en relación con la disponibilidad de azúcar. [4] [10] Esto contrasta con el efecto Pasteur , que es la inhibición de la fermentación en presencia de oxígeno y se observa en la mayoría de los organismos. [9]
La evolución de la fermentación aeróbica probablemente implicó múltiples pasos moleculares sucesivos, [9] que incluyeron la expansión de genes transportadores de hexosas, [11] variación del número de copias (CNV) [12] [13] y expresión diferencial en genes metabólicos, y reprogramación regulatoria. [14] Aún se necesita investigación para comprender completamente la base genómica de este fenómeno complejo. Muchas especies de levadura Crabtree-positivas se utilizan por su capacidad de fermentación en procesos industriales en la producción de vino, cerveza, sake, pan y bioetanol. [15] A través de la domesticación , estas especies de levadura han evolucionado, a menudo a través de selección artificial , para adaptarse mejor a su entorno. [15] Las cepas evolucionaron a través de mecanismos que incluyen hibridación interespecífica , [15] transferencia horizontal de genes (HGT), duplicación de genes , pseudogenización y pérdida de genes. [16]
Hace aproximadamente 100 millones de años (mya), dentro del linaje de la levadura hubo una duplicación del genoma completo (WGD). [17] La mayoría de las levaduras Crabtree-positivas son levaduras post-WGD. [4] Se creía que la WGD era un mecanismo para el desarrollo del efecto Crabtree en estas especies debido a la duplicación de genes codificadores de alcohol deshidrogenasa (ADH) y transportadores de hexosas. [2] Sin embargo, evidencia reciente ha demostrado que la fermentación aeróbica se originó antes de la WGD y evolucionó como un proceso de múltiples pasos, potencialmente ayudado por la WGD. [2] El origen de la fermentación aeróbica, o el primer paso, en las levaduras Saccharomyces Crabtree-positivas probablemente ocurrió en el intervalo entre la capacidad de crecer en condiciones anaeróbicas, la transferencia horizontal de la DHODa anaeróbica (codificada por URA1 con bacterias) y la pérdida del complejo I de la cadena respiratoria. [9] Un efecto Crabtree más pronunciado, el segundo paso, probablemente ocurrió cerca del momento del evento WGD. [9] Los eventos evolutivos posteriores que ayudaron en la evolución de la fermentación aeróbica se entienden mejor y se describen en la sección que analiza la base genómica del efecto Crabtree.
Se cree que una de las principales fuerzas impulsoras del origen de la fermentación aeróbica fue su origen simultáneo con la fruta moderna (~125 millones de años). [2] Estas frutas proporcionaban una abundante fuente de alimento de azúcar simple para las comunidades microbianas, incluidas tanto las levaduras como las bacterias. [2] Las bacterias, en ese momento, podían producir biomasa a un ritmo más rápido que la levadura. [2] La producción de un compuesto tóxico, como el etanol, puede ralentizar el crecimiento de las bacterias, lo que permite que la levadura sea más competitiva. [2] Sin embargo, la levadura todavía tenía que utilizar una parte del azúcar que consume para producir etanol. [2] Las levaduras Crabtree-positivas también tienen un mayor flujo glucolítico, o una mayor absorción de glucosa y conversión a piruvato, lo que compensa el uso de una parte de la glucosa para producir etanol en lugar de biomasa. [9] Por lo tanto, se cree que la fuerza impulsora original era matar a los competidores. [4] Esto está respaldado por una investigación que determinó el comportamiento cinético de la proteína ADH ancestral, que resultó estar optimizada para producir etanol, en lugar de consumirlo. [13]
Es probable que otros eventos evolutivos en el desarrollo de la fermentación aeróbica hayan aumentado la eficiencia de este estilo de vida, incluyendo una mayor tolerancia al etanol y la represión de la vía respiratoria. [4] En ambientes con alto contenido de azúcar, S. cerevisiae supera y domina a todas las demás especies de levaduras, excepto a su pariente más cercano, Saccharomyces paradoxus . [18] La capacidad de S. cerevisiae para dominar en ambientes con alto contenido de azúcar evolucionó más recientemente que la fermentación aeróbica y depende del tipo de ambiente con alto contenido de azúcar. [18] El crecimiento de otras levaduras depende del pH y los nutrientes del ambiente con alto contenido de azúcar. [18]
La base genómica del efecto Crabtree todavía se está investigando, y su evolución probablemente implicó múltiples pasos moleculares sucesivos que aumentaron la eficiencia de este estilo de vida.
Los transportadores de hexosa (HXT) son un grupo de proteínas que son en gran parte responsables de la captación de glucosa en levaduras. En S. cerevisiae , se han identificado 20 genes HXT y 17 codifican transportadores de glucosa ( HXT1-HXT17 ), GAL2 codifica un transportador de galactosa y SNF3 y RGT2 codifican sensores de glucosa. [19] El número de genes sensores de glucosa se ha mantenido mayoritariamente constante a lo largo del linaje de levaduras en ciernes, sin embargo, los sensores de glucosa están ausentes en Schizosaccharomyces pombe . Sch. pombe es una levadura Crabtree-positiva, que desarrolló la fermentación aeróbica independientemente del linaje Saccharomyces , y detecta la glucosa a través de la vía de señalización de AMPc. [20] El número de genes transportadores varía significativamente entre especies de levaduras y ha aumentado continuamente durante la evolución del linaje de S. cerevisiae . La mayoría de los genes transportadores se han generado por duplicación en tándem, en lugar de a partir de la WGD. Sch. pombe también tiene un alto número de genes transportadores en comparación con sus parientes cercanos. [11] Se cree que la captación de glucosa es un paso importante que limita la velocidad de la glucólisis y reemplazar los genes HXT1-17 de S. cerevisiae con un solo gen HXT quimérico da como resultado una menor producción de etanol o un metabolismo completamente respiratorio. [12] Por lo tanto, tener un sistema de captación de glucosa eficiente parece ser esencial para la capacidad de fermentación aeróbica. [20] Existe una correlación positiva significativa entre el número de genes transportadores de hexosa y la eficiencia de la producción de etanol. [11]
Después de una WGD, uno de los pares de genes duplicados a menudo se pierde a través del fraccionamiento; menos del 10% de los pares de genes WGD han permanecido en el genoma de S. cerevisiae . [12] Un poco más de la mitad de los pares de genes WGD en la vía de reacción de glucólisis se mantuvieron en especies post-WGD, significativamente más alto que la tasa de retención general. [12] Esto se ha asociado con una mayor capacidad para metabolizar la glucosa en piruvato, o una mayor tasa de glucólisis. [17] Después de la glucólisis, el piruvato puede descomponerse aún más por la piruvato descarboxilasa (Pdc) o la piruvato deshidrogenasa (Pdh). La cinética de las enzimas es tal que cuando las concentraciones de piruvato son altas, debido a una alta tasa de glucólisis, hay un mayor flujo a través de Pdc y, por lo tanto, de la vía de fermentación. [12] Se cree que la WGD ha desempeñado un papel beneficioso en la evolución del efecto Crabtree en especies post-WGD, en parte debido a este aumento en el número de copias de genes de glucólisis. [20]
La reacción de fermentación solo implica dos pasos. El piruvato se convierte en acetaldehído por Pdc y luego el acetaldehído se convierte en etanol por la alcohol deshidrogenasa (Adh). No hay un aumento significativo en el número de genes Pdc en especies Crabtree-positivas en comparación con Crabtree-negativas y no hay correlación entre el número de genes Pdc y la eficiencia de la fermentación. [20] Hay cinco genes Adh en S. cerevisiae . [20] Adh1 es la principal enzima responsable de catalizar el paso de fermentación de acetaldehído a etanol. [13] Adh2 cataliza la reacción inversa, consumiendo etanol y convirtiéndolo en acetaldehído. [13] El Adh ancestral u original tenía una función similar a Adh1 y después de una duplicación en este gen, Adh2 desarrolló un K M más bajo para el etanol. [13] Se cree que Adh2 ha aumentado la tolerancia de las especies de levadura al etanol y ha permitido que las especies Crabtree-positivas consuman el etanol que produjeron después de agotar los azúcares. [13] Sin embargo, Adh2 y el consumo de etanol no son esenciales para la fermentación aeróbica. [13] Sch. pombe y otras especies Crabtree-positivas no tienen el gen ADH2 y consumen etanol muy poco. [13]
En las especies Crabtree-negativas, los genes relacionados con la respiración se expresan en gran medida en presencia de oxígeno. Sin embargo, cuando S. cerevisiae se cultiva con glucosa en condiciones aeróbicas, la expresión de genes relacionados con la respiración se reprime. La expresión de proteínas ribosomales mitocondriales solo se induce en condiciones de estrés ambiental, específicamente baja disponibilidad de glucosa. [20] Los genes que involucran la generación de energía mitocondrial y la oxidación de fosforilación, que están involucrados en la respiración, tienen la mayor diferencia de expresión entre las especies de levaduras fermentativas aeróbicas y las especies respiratorias. [20] En un análisis comparativo entre Sch. pombe y S. cerevisiae , las cuales desarrollaron la fermentación aeróbica de forma independiente, el patrón de expresión de estas dos levaduras fermentativas fue más similar entre sí que una levadura respiratoria, C. albicans . Sin embargo, S. cerevisiae es evolutivamente más cercana a C. albicans . [14] La reestructuración regulatoria probablemente fue importante en la evolución de la fermentación aeróbica en ambos linajes. [20]
La fermentación aeróbica es esencial para múltiples industrias, lo que resultó en la domesticación humana de varias cepas de levadura. La cerveza y otras bebidas alcohólicas, a lo largo de la historia humana, han jugado un papel importante en la sociedad a través de rituales de bebida, proporcionando nutrición, medicinas y agua no contaminada. [15] [21] Durante el proceso de domesticación, los organismos cambian de entornos naturales que son más variables y complejos a entornos simples y estables con un sustrato constante. Esto a menudo favorece las adaptaciones de especialización en microbios domesticados, asociadas con la selección relajada de genes no útiles en estrategias metabólicas alternativas o patogenicidad. [16] La domesticación podría ser parcialmente responsable de los rasgos que promueven la fermentación aeróbica en especies industriales. La introgresión y la HGT son comunes en las cepas domesticadas de Saccharomyces . [16] Muchas cepas de vino comerciales tienen porciones significativas de su ADN derivado de la HGT de especies que no son Saccharomyces . La HGT y la introgresión son menos comunes en la naturaleza de lo que se ve durante las presiones de domesticación. [16] Por ejemplo, la importante cepa de levadura industrial Saccharomyces pastorianus es un híbrido interespecie de S. cerevisiae y S. eubayanus , tolerante al frío . [15] Este híbrido se utiliza comúnmente en la elaboración de cerveza lager, que requiere una fermentación lenta y a baja temperatura. [15]
Las bacterias del ácido acético (AAB) oxidan de forma incompleta los azúcares y alcoholes , generalmente glucosa y etanol , a ácido acético , en un proceso llamado fermentación oxidativa AAB (AOF). Después de la glucólisis , el piruvato producido se descompone en acetaldehído por la piruvato descarboxilasa , que a su vez se oxida a ácido acético por la acetaldehído deshidrogenasa . El etanol se oxida primero a acetaldehído por la alcohol deshidrogenasa , que luego se convierte en ácido acético. Ambos procesos generan NAD(P)H o transportan electrones a la cadena de transporte de electrones a través del ubiquinol . [22] Este proceso se explota en el uso de bacterias del ácido acético para producir vinagre .
Una de las características del cáncer es la alteración del metabolismo o la desregulación de la energía celular. [23] Las células cancerosas a menudo han reprogramado su metabolismo de la glucosa para realizar la fermentación del ácido láctico, en presencia de oxígeno, en lugar de enviar el piruvato producido mediante la glucólisis a las mitocondrias. Esto se conoce como el efecto Warburg y se asocia con un alto consumo de glucosa y una alta tasa de glucólisis. [24] La producción de ATP en estas células cancerosas a menudo se realiza solo a través del proceso de glucólisis y el piruvato se descompone por el proceso de fermentación en el citoplasma de la célula.
Este fenómeno suele considerarse contraintuitivo, ya que las células cancerosas tienen mayores demandas de energía debido a la proliferación continua y la respiración produce significativamente más ATP que la glucólisis sola (la fermentación no produce ATP adicional). Por lo general, hay una regulación positiva de los transportadores de glucosa y las enzimas en la vía de la glucólisis (que también se observa en la levadura). [25] Hay muchos aspectos paralelos de la fermentación aeróbica en las células tumorales que también se observan en las levaduras Crabtree-positivas. Una mayor investigación sobre la evolución de la fermentación aeróbica en levaduras como S. cerevisiae puede ser un modelo útil para comprender la fermentación aeróbica en las células tumorales. Esto tiene el potencial de ayudar a comprender mejor el cáncer y sus tratamientos. [8]
La fermentación alcohólica es utilizada a menudo por las plantas en condiciones anaeróbicas para producir ATP y regenerar NAD + para permitir que continúe la glucólisis. Para la mayoría de los tejidos vegetales, la fermentación solo ocurre en condiciones anaeróbicas, pero hay algunas excepciones. En el polen del maíz ( Zea mays ) [26] y el tabaco ( Nicotiana tabacum y Nicotiana plumbaginifolia ), la enzima de fermentación ADH es abundante, independientemente del nivel de oxígeno. En el polen del tabaco, el PDC también se expresa en gran medida en este tejido y los niveles de transcripción no se ven influenciados por la concentración de oxígeno. El polen del tabaco, similar a la levadura Crabtree-positiva, realiza altos niveles de fermentación dependiendo del suministro de azúcar y no de la disponibilidad de oxígeno. En estos tejidos, la respiración y la fermentación alcohólica ocurren simultáneamente con una alta disponibilidad de azúcar. [5] La fermentación produce el acetaldehído tóxico y el etanol, que pueden acumularse en grandes cantidades durante el desarrollo del polen. Se ha planteado la hipótesis de que el acetaldehído es un factor del polen que causa esterilidad masculina citoplasmática . La esterilidad masculina citoplasmática es un rasgo que se observa en el maíz, el tabaco y otras plantas en las que existe una incapacidad para producir polen viable. Se cree que este rasgo podría deberse a la expresión de los genes de fermentación, ADH y PDC, mucho antes de lo normal en el desarrollo del polen y a la acumulación de aldehído tóxico. [5]
Cuando crecen en medios ricos en glucosa, los parásitos tripanosomátidos degradan la glucosa mediante fermentación aeróbica. [6] En este grupo, este fenómeno no es una preadaptación a la vida anaeróbica ni un remanente de la misma, sino que se manifiesta a través de su incapacidad para sobrevivir en condiciones anaeróbicas. [27] Se cree que este fenómeno se desarrolló debido a la capacidad de un alto flujo glucolítico y a las altas concentraciones de glucosa de su entorno natural. El mecanismo de represión de la respiración en estas condiciones aún no se conoce. [27]
Se han diseñado mediante bioingeniería un par de cepas mutantes de Escherichia coli para fermentar glucosa en condiciones aeróbicas. [7] Un grupo desarrolló la cepa ECOM3 ( mutante de la citocromo oxidasa de E. coli ) eliminando tres citocromo oxidasas terminales (cydAB, cyoABCD y cbdAB) para reducir la absorción de oxígeno. [7] Después de 60 días de evolución adaptativa en medios de glucosa, la cepa mostró un fenotipo mixto. [7] En condiciones aeróbicas, la fermentación de algunas poblaciones produjo únicamente lactato, mientras que otras realizaron una fermentación ácida mixta. [7]
