La fermentación aeróbica o glucólisis aeróbica es un proceso metabólico mediante el cual las células metabolizan los azúcares mediante fermentación en presencia de oxígeno y se produce mediante la represión del metabolismo respiratorio normal. La preferencia de la fermentación aeróbica sobre la respiración aeróbica se conoce como efecto Crabtree en la levadura, [1] [2] y es parte del efecto Warburg en las células tumorales . Si bien la fermentación aeróbica no produce trifosfato de adenosina (ATP) con alto rendimiento, permite que las células en proliferación conviertan nutrientes como la glucosa y la glutamina en biomasa de manera más eficiente al evitar la oxidación catabólica innecesaria de dichos nutrientes en dióxido de carbono , preservando los enlaces carbono-carbono y promoviendo anabolismo . [3]
La fermentación aeróbica evolucionó de forma independiente 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 cultivan con concentraciones muy bajas de glucosa o cuando se cultivan con la mayoría de las otras fuentes de carbohidratos. [1] El efecto Crabtree es un sistema regulador mediante el cual la fermentación reprime la respiración, excepto en condiciones bajas en azúcar. [1] Cuando Saccharomyces cerevisiae crece por debajo del umbral de azúcar y sufre 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 los genes transportadores de hexosas, [11] la variación del número de copias (CNV) [12] [13] y la expresión diferencial en genes metabólicos y la reprogramación regulatoria. [14] Todavía se necesita investigación para comprender completamente la base genómica de este complejo fenómeno. 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 levaduras han evolucionado, a menudo mediante 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 (THG), duplicación de genes , pseudogenización y pérdida de genes. [dieciséis]
Hace aproximadamente 100 millones de años (ma), dentro del linaje de 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 los genes que codifican la alcohol deshidrogenasa (ADH) y los transportadores de hexosa. [2] Sin embargo, evidencia reciente ha demostrado que la fermentación aeróbica se originó antes del WGD y evolucionó como un proceso de múltiples pasos, potencialmente ayudado por el 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 DHODasa 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 comprenden y describen mejor en la sección que analiza la base genómica del efecto Crabtree.
Se cree que una fuerza impulsora importante en el origen de la fermentación aeróbica fue su origen simultáneo con la fruta moderna (~125 millones de años). [2] Estas frutas proporcionaron una gran cantidad de azúcar simple como fuente de alimento para las comunidades microbianas, incluidas levaduras y bacterias. [2] Las bacterias, en ese momento, eran capaces de producir biomasa a un ritmo más rápido que la levadura. [2] Producir un compuesto tóxico, como el etanol, puede retardar el crecimiento de bacterias, permitiendo 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 en piruvato, lo que compensa el uso de una porción 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 ancestral ADH, que se encontró que estaba optimizada para producir etanol, en lugar de consumirlo. [13]
Otros eventos evolutivos en el desarrollo de la fermentación aeróbica probablemente aumentaron la eficiencia de este estilo de vida, incluida una mayor tolerancia al etanol y la represión de las vías respiratorias. [4] En ambientes con alto contenido de azúcar, S. cerevisiae supera y domina a todas las demás especies de levadura, excepto a su pariente más cercano Saccharomyces paradoxus . [18] La capacidad de S. cerevisiae para dominar en entornos con alto contenido de azúcar evolucionó más recientemente que la fermentación aeróbica y depende del tipo de entorno 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 aún se está investigando y su evolución probablemente implicó múltiples pasos moleculares sucesivos que aumentaron la eficiencia del estilo de vida.
Los transportadores de hexosa (HXT) son un grupo de proteínas que son en gran medida responsables de la absorción de glucosa en la levadura. En S. cerevisiae , se han identificado 20 genes HXT y 17 codifican para transportadores de glucosa ( HXT1-HXT17 ), GAL2 codifica para un transportador de galactosa y SNF3 y RGT2 codifican para 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 fermentación aeróbica independientemente del linaje Saccharomyces y detecta glucosa a través de la vía de señalización de AMPc. [20] El número de genes transportadores varía significativamente entre especies de levadura y ha aumentado continuamente durante la evolución del linaje de S. cerevisiae . La mayoría de los genes transportadores se han generado mediante duplicación en tándem, en lugar de a partir del WGD. Sch. pombe también tiene una gran cantidad de genes transportadores en comparación con sus parientes cercanos. [11] Se cree que la absorción de glucosa es un paso importante que limita la velocidad de la glucólisis y la sustitución de los genes HXT1-17 de S. cerevisiae con un único gen quimérico HXT da como resultado una disminución de la producción de etanol o un metabolismo completamente respiratorio. [12] Por lo tanto, tener un sistema eficiente de absorción de glucosa parece ser esencial para la capacidad de fermentación aeróbica. [20] Existe una correlación positiva significativa entre el número de genes transportadores de hexosas y la eficiencia de la producción de etanol. [11]
Después de un WGD, uno de los pares de genes duplicados a menudo se pierde mediante el 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 la glucólisis se retuvieron 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 mediante 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, aumenta el flujo a través del Pdc y, por tanto, de la vía de fermentación. [12] Se cree que el 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 los genes de la glucólisis. [20]
La reacción de fermentación sólo implica dos pasos. El piruvato se convierte en acetaldehído mediante Pdc y luego el acetaldehído se convierte en etanol mediante la alcohol deshidrogenasa (Adh). No hay un aumento significativo en el número de genes Pdc en especies Crabtree positivas en comparación con especies Crabtree negativas y no hay correlación entre la cantidad 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 la del Adh1 y después de una duplicación en este gen, el Adh2 evolucionó con una KM más baja para el etanol. [13] Se cree que Adh2 aumentó la tolerancia de las especies de levadura al etanol y permitió que las especies Crabtree positivas consumieran el etanol que producían 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 muy poco etanol. [13]
En las especies Crabtree negativas, los genes relacionados con la respiración se expresan altamente en presencia de oxígeno. Sin embargo, cuando S. cerevisiae se cultiva con glucosa en condiciones aeróbicas, se reprime la expresión genética relacionada con la respiración. La expresión de proteínas ribosómicas mitocondriales sólo se induce en condiciones de estrés ambiental, específicamente en condiciones de baja disponibilidad de glucosa. [20] Los genes que implican la generación de energía mitocondrial y la oxidación por fosforilación, que están involucrados en la respiración, tienen la mayor diferencia de expresión entre las especies de levadura fermentativa aeróbica 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 era más similar entre sí que el de una levadura respiratoria, C. albicans . Sin embargo, S. cerevisiae está evolutivamente más cerca de C. albicans . [14] El recableado regulatorio probablemente fue importante en la evolución de la fermentación aeróbica en ambos linajes. [20]
La fermentación aeróbica es esencial para múltiples industrias, lo que resulta en la domesticación humana de varias cepas de levadura. La cerveza y otras bebidas alcohólicas, a lo largo de la historia de la humanidad, han jugado un papel importante en la sociedad a través de rituales de consumo, proporcionando nutrición, medicinas y agua no contaminada. [15] [21] Durante el proceso de domesticación, los organismos pasan de ambientes naturales que son más variables y complejos a ambientes simples y estables con un sustrato constante. Esto a menudo favorece adaptaciones de especialización en microbios domesticados, asociadas con una 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 TGH son comunes en las cepas domesticadas de Saccharomyces . [16] Muchas cepas de vino comerciales tienen porciones importantes de su ADN derivadas de HGT de especies distintas de Saccharomyces . La HGT y la introgresión son menos comunes en la naturaleza que las que se observan durante las presiones de domesticación. [16] Por ejemplo, la importante cepa de levadura industrial Saccharomyces pastorianus es un híbrido entre especies de S. cerevisiae y S. eubayanus, tolerante al frío . [15] Este híbrido se usa comúnmente en la elaboración de cerveza, que requiere una fermentación lenta y a baja temperatura. [15]
Las bacterias del ácido acético (AAB) oxidan de forma incompleta azúcares y alcoholes , generalmente glucosa y etanol , a ácido acético , en un proceso llamado fermentación oxidativa de 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 primero se oxida a acetaldehído por la alcohol deshidrogenasa , que luego se convierte en ácido acético. Ambos procesos generan NAD(P)H o lanzan electrones a la cadena de transporte de electrones a través del ubiquinol . [22] Este proceso se aprovecha 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 a través de la glucólisis a las mitocondrias. Esto se conoce como efecto Warburg y está asociado con un alto consumo de glucosa y una alta tasa de glucólisis. [24] La producción de ATP en estas células cancerosas a menudo se produce únicamente a través del proceso de glucólisis y el piruvato se descompone mediante el proceso de fermentación en el citoplasma de la célula.
Este fenómeno a menudo se considera contradictorio, 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). Normalmente, hay una regulación positiva de los transportadores de glucosa y las enzimas en la vía de la glucólisis (también observada en la levadura). [25] Hay muchos aspectos paralelos de la fermentación aeróbica en células tumorales que también se observan en levaduras Crabtree positivas. Investigaciones adicionales sobre la evolución de la fermentación aeróbica en levaduras como S. cerevisiae pueden ser un modelo útil para comprender la fermentación aeróbica en células tumorales. Esto tiene el potencial de comprender mejor el cáncer y sus tratamientos. [8]
Las plantas suelen utilizar la fermentación alcohólica en condiciones anaeróbicas para producir ATP y regenerar NAD + para permitir que continúe la glucólisis. Para la mayoría de los tejidos vegetales, la fermentación sólo ocurre en condiciones anaeróbicas, pero existen algunas excepciones. En el polen de maíz ( Zea mays ) [26] y tabaco ( Nicotiana tabacum & Nicotiana plumbaginifolia ), la enzima de fermentación ADH es abundante, independientemente del nivel de oxígeno. En el polen del tabaco, la PDC también se expresa altamente 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 acetaldehído y etanol, tóxicos, 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 observado en el maíz, el tabaco y otras plantas en las que existe 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 se cultivan en medios ricos en glucosa, los parásitos tripanosomátidos degradan la glucosa mediante fermentación aeróbica. [6] En este grupo, este fenómeno no es una preadaptación o un remanente de vida anaeróbica, lo que se demuestra 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 las altas concentraciones de glucosa de su entorno natural. Aún no se conoce el mecanismo de represión de la respiración en estas condiciones. [27]
Se han modificado 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 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 de ácidos mixtos. [7]
