El crecimiento diauxico , diauxie o crecimiento difásico es cualquier crecimiento celular caracterizado por el crecimiento celular en dos fases. El crecimiento diauxico, que significa crecimiento doble, es causado por la presencia de dos azúcares en un medio de crecimiento de cultivo, uno de los cuales es más fácil de metabolizar para la bacteria objetivo. El azúcar preferido se consume primero, lo que conduce a un crecimiento rápido, seguido de una fase de retraso. [1] Durante la fase de retraso, la maquinaria celular utilizada para metabolizar el segundo azúcar se activa y, posteriormente, el segundo azúcar se metaboliza.
Esto también puede ocurrir cuando la bacteria en un cultivo en lotes cerrados consume la mayoría de sus nutrientes y está entrando en la fase estacionaria cuando de repente se agregan nuevos nutrientes al medio de crecimiento. La bacteria entra en una fase de retraso en la que intenta ingerir el alimento. Una vez que el alimento comienza a ser utilizado, entra en una nueva fase logarítmica que muestra un segundo pico en la curva de crecimiento.
Jacques Monod descubrió el crecimiento diáuxico en 1941 durante sus experimentos con Escherichia coli y Bacillus subtilis . Mientras cultivaba estas bacterias en varias combinaciones de azúcares durante su investigación de tesis doctoral, Monod observó que a menudo se ven claramente dos fases de crecimiento distintas en el cultivo por lotes, como se ve en la Figura 1.
Durante la primera fase, las células metabolizan preferentemente el azúcar con el que pueden crecer más rápido (a menudo glucosa, pero no siempre). Solo cuando se ha agotado el primer azúcar, las células pasan al segundo. En el momento del "cambio diáuxico", suele haber un período de retraso durante el cual las células producen las enzimas necesarias para metabolizar el segundo azúcar.
Posteriormente, Monod dejó de lado su trabajo sobre el crecimiento diaúxico y se centró en el modelo de expresión genética del operón lac , lo que le valió un premio Nobel.
La diauxie ocurre porque los organismos usan operones o múltiples conjuntos de genes para controlar de manera diferente la expresión de las enzimas necesarias para metabolizar los diferentes nutrientes o azúcares que encuentran. Si un organismo asigna su energía y otros recursos (por ejemplo, aminoácidos) para sintetizar las enzimas necesarias para metabolizar un azúcar que solo puede soportar una tasa de crecimiento más lenta y no usa todos o la mayoría de sus recursos disponibles para sintetizar las enzimas que metabolizan un azúcar diferente que proporciona una tasa de crecimiento más rápida, dicho organismo estará en desventaja reproductiva en comparación con aquellos que eligen crecer en el azúcar que soporta un crecimiento más rápido. A través de la evolución , los organismos han desarrollado la capacidad de regular sus mecanismos de control genético para expresar solo aquellos genes que resultan en la tasa de crecimiento más rápida. Por ejemplo, cuando se cultiva en presencia de glucosa y maltosa, Lactococcus lactis producirá enzimas para metabolizar la glucosa primero, alterando su expresión genética para usar maltosa solo después de que se haya agotado el suministro de glucosa.
En el caso de la levadura de panadería o de cerveza Saccharomyces cerevisiae que crece en glucosa con abundante aireación, el patrón de crecimiento diáuxico se observa comúnmente en el cultivo por lotes. Durante la primera fase de crecimiento, cuando hay abundante glucosa y oxígeno disponibles, las células de levadura prefieren la fermentación de la glucosa a la respiración aeróbica , en un fenómeno conocido como fermentación aeróbica . Aunque la respiración aeróbica puede parecer una vía energéticamente más eficiente para crecer en glucosa, de hecho es una forma bastante ineficiente de aumentar la biomasa ya que la mayor parte del carbono en la glucosa se oxida a dióxido de carbono en lugar de incorporarse a nuevos aminoácidos o ácidos grasos. Al contrario del efecto Pasteur , invocado más comúnmente , este fenómeno es más cercano al efecto Warburg observado en tumores de crecimiento más rápido.
Los mecanismos de regulación genética intracelular han evolucionado para hacer cumplir esta elección, ya que la fermentación proporciona una tasa de crecimiento anabólico más rápida para las células de levadura que la respiración aeróbica de la glucosa, lo que favorece el catabolismo . Una vez que se agota la glucosa, el producto fermentativo, el etanol, se oxida en una segunda fase de crecimiento notablemente más lenta, si hay oxígeno disponible.
En la década de 1940, Monod planteó la hipótesis de que una sola enzima podía adaptarse para metabolizar diferentes azúcares. Se necesitaron 15 años de investigación adicional para demostrar que esto era incorrecto. Durante su trabajo sobre el operón lac de E. coli , Joshua Lederberg aisló la β-galactosidasa y la encontró en mayores cantidades en colonias cultivadas con lactosa en comparación con otros azúcares. Melvin Cohn, en el laboratorio de Monod en el Instituto Pasteur, descubrió entonces que las β-galactósidas inducían la actividad enzimática. La idea de adaptación enzimática fue así sustituida por el concepto de inducción enzimática , en el que una molécula induce la expresión de un gen u operón, a menudo uniéndose a una proteína represora y evitando que se adhiera al operador. [2]
En el caso del cambio diauxico bacteriano del metabolismo de la glucosa al de la lactosa, un mecanismo propuesto sugirió que la glucosa inhibe inicialmente la capacidad de la enzima adenilato ciclasa para sintetizar AMP cíclico (cAMP). El cAMP, a su vez, es necesario para que la proteína activadora de catabolitos (CAP) se una al ADN y active la transcripción del operón lac, que incluye genes necesarios para el metabolismo de la lactosa. La presencia de alolactosa, un producto metabólico de la lactosa, se detecta a través de la actividad del represor lac , que inhibe la transcripción del operón lac hasta que la lactosa esté presente. Por lo tanto, si hay glucosa presente, los niveles de cAMP permanecen bajos, por lo que CAP es incapaz de activar la transcripción del operón lac, independientemente de la presencia o ausencia de lactosa. Cuando se agota el suministro de glucosa, los niveles de cAMP aumentan, lo que permite que CAP active los genes necesarios para el metabolismo de otras fuentes de alimentos, incluida la lactosa si está presente. [3]
Sin embargo, investigaciones más recientes sugieren que el modelo de AMPc no es correcto en este caso, ya que los niveles de AMPc permanecen idénticos en condiciones de crecimiento de glucosa y lactosa, y se ha propuesto un modelo diferente que sugiere que la diauxia lactosa-glucosa en E. coli puede ser causada principalmente por la exclusión del inductor. [4] En este modelo, el transporte de glucosa a través de EIIA Glc apaga la permeasa de lactosa cuando la glucosa se transporta a la célula, por lo que la lactosa no se transporta a la célula y se utiliza. Si bien el mecanismo de AMPc/CAP puede no desempeñar un papel en la diauxia glucosa/lactosa, es un mecanismo sugerido para otras diauxias.
Una curva de crecimiento diáuxico se refiere a la curva de crecimiento generada por un organismo que tiene dos picos de crecimiento. La teoría detrás de la curva de crecimiento diáuxico surge de la investigación de doctorado de Jacques Monod en 1940.
Un ejemplo sencillo es el de la bacteria Escherichia coli ( E. coli ), la bacteria mejor conocida. La bacteria se cultiva en un medio de crecimiento que contiene dos tipos de azúcares , uno de los cuales es más fácil de metabolizar que el otro (por ejemplo, glucosa y lactosa ). Primero, la bacteria metabolizará toda la glucosa y crecerá a mayor velocidad. Finalmente, cuando se haya consumido toda la glucosa, la bacteria comenzará el proceso de expresión de los genes para metabolizar la lactosa. Esto solo ocurrirá cuando se haya consumido toda la glucosa del medio. Por estas razones, el crecimiento diáuxico ocurre en múltiples fases.
La primera fase es la fase de crecimiento rápido , ya que la bacteria consume (en el caso del ejemplo anterior) exclusivamente glucosa, y es capaz de crecer rápidamente. La segunda fase es una fase de retraso en la que se expresan los genes utilizados en el metabolismo de la lactosa y se detiene el crecimiento celular observable. A esta le sigue otra fase de crecimiento que es más lenta que la primera debido al uso de lactosa como fuente primaria de energía. La etapa final es la fase de saturación . Este proceso también puede referirse al control positivo del operón lac.
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