Los alcalófilos son una clase de microbios extremófilos capaces de sobrevivir en ambientes alcalinos ( pH de aproximadamente 8,5 a 11) y crecen óptimamente alrededor de un pH de 10. Estas bacterias se pueden clasificar además como alcalófilos obligados (aquellos que requieren un pH alto para sobrevivir), alcalófilos facultativos (aquellos capaces de sobrevivir en un pH alto, pero también crecer en condiciones normales) y haloalcalófilos (aquellos que requieren un alto contenido de sal para sobrevivir). [1]
El crecimiento microbiano en condiciones alcalinas presenta varias complicaciones para la actividad bioquímica normal y la reproducción, ya que el pH alto es perjudicial para los procesos celulares normales. Por ejemplo, la alcalinidad puede conducir a la desnaturalización del ADN, la inestabilidad de la membrana plasmática y la inactivación de las enzimas citosólicas , así como otros cambios fisiológicos desfavorables. [2] Por lo tanto, para sortear adecuadamente estos obstáculos, los alcalófilos deben poseer una maquinaria celular específica que funcione mejor en el rango alcalino, o deben tener métodos de acidificación del citosol en relación con el entorno extracelular. Para determinar cuál de las posibilidades anteriores utiliza un alcalófilo, la experimentación ha demostrado que las enzimas alcalófilas poseen óptimos de pH relativamente normales. La determinación de que estas enzimas funcionan de manera más eficiente cerca de rangos de pH fisiológicamente neutros (alrededor de 7,5 a 8,5) fue uno de los pasos principales para dilucidar cómo los alcalófilos sobreviven a entornos intensamente básicos. Dado que el pH citosólico debe permanecer casi neutro, los alcalófilos deben tener uno o más mecanismos de acidificación del citosol cuando están en presencia de un entorno altamente alcalino.
Los alcalófilos mantienen la acidificación citosólica a través de medios pasivos y activos. En la acidificación pasiva, se ha propuesto que las paredes celulares contienen polímeros ácidos compuestos de residuos como ácido galacturónico , ácido glucónico , ácido glutámico , ácido aspártico y ácido fosfórico . Juntos, estos residuos forman una matriz ácida que ayuda a proteger la membrana plasmática de las condiciones alcalinas al evitar la entrada de iones hidróxido y permitir la absorción de iones sodio e hidronio . Además, se ha observado que el peptidoglicano en B. subtilis alcalófilo contiene niveles más altos de hexosaminas y aminoácidos en comparación con su contraparte neutrófila . Cuando los alcalófilos pierden estos residuos ácidos en forma de mutaciones inducidas, se ha demostrado que su capacidad para crecer en condiciones alcalinas se ve gravemente obstaculizada. [1] Sin embargo, en general se acepta que los métodos pasivos de acidificación citosólica no son suficientes para mantener un pH interno de 2 a 2,3 por debajo del pH externo; También debe haber formas activas de acidificación. El método más caracterizado de acidificación activa es en forma de antiportadores Na + /H + . En este modelo, los iones H + se extruyen primero a través de la cadena de transporte de electrones en las células que respiran y, en cierta medida, a través de una ATPasa en las células fermentativas . Esta extrusión de protones establece un gradiente de protones que impulsa a los antiportadores electrogénicos, que expulsan el Na + intracelular fuera de la célula a cambio de una mayor cantidad de iones H + , lo que conduce a la acumulación neta de protones internos. Esta acumulación de protones conduce a una disminución del pH citosólico. El Na + expulsado se puede utilizar para el simporte de solutos, que son necesarios para los procesos celulares. Se ha observado que el antiportador Na + /H + es necesario para el crecimiento alcalófilo, mientras que los antiportadores K + /H + o Na + /H + pueden ser utilizados por bacterias neutrófilas . Si los antiportadores Na + /H + se desactivan mediante mutación u otros medios, las bacterias se vuelven neutrófilas. [2] [3]El sodio requerido para este sistema antipuerto es la razón por la que algunos alcalófilos sólo pueden crecer en ambientes salinos.
Además del método de extrusión de protones que se ha comentado anteriormente, se cree que el método general de respiración celular es diferente en los alcalófilos obligados en comparación con los neutrófilos. En general, la producción de ATP funciona estableciendo un gradiente de protones (mayor concentración de H+ fuera de la membrana) y un potencial eléctrico transmembrana (con una carga positiva fuera de la membrana). Sin embargo, dado que los alcalófilos tienen un gradiente de pH invertido, parecería que la producción de ATP (que se basa en una fuerte fuerza protón-motriz ) se reduciría considerablemente. Sin embargo, lo cierto es lo contrario. Se ha propuesto que, si bien el gradiente de pH se ha invertido, el potencial eléctrico transmembrana aumenta considerablemente. Este aumento de la carga provoca la producción de mayores cantidades de ATP por cada protón translocado cuando se lo impulsa a través de una ATPasa. [2] [4] La investigación en esta área está en curso.
Los alcalófilos prometen varios usos interesantes para la biotecnología y la investigación futura. Los métodos alcalófilos para regular el pH y producir ATP son de interés en la comunidad científica. Sin embargo, quizás el mayor área de interés de los alcalófilos radica en sus enzimas : proteasas alcalinas ; enzimas que degradan el almidón; celulasas ; lipasas ; xilanasas; pectinasas; quitinasas y sus metabolitos , incluyendo: 2-fenilamina; carotenoides ; sideróforos ; derivados del ácido cólico y ácidos orgánicos . Se espera que una mayor investigación sobre las enzimas alcalófilas permita a los científicos recolectar enzimas de los alcalófilos para su uso en condiciones básicas. [2] La investigación dirigida al descubrimiento de antibióticos producidos por alcalófilos mostró cierto éxito, pero se ha visto frenada por el hecho de que algunos productos producidos a un pH alto son inestables e inutilizables en un rango de pH fisiológico. [1]
Ejemplos de alcalófilos incluyen Halorhodospira halochloris , Natronomonas pharaonis y Thiohalospira alkaliphila . [5]