Los metilotrofos son un grupo diverso de microorganismos que pueden utilizar compuestos de un carbono reducido , como metanol o metano , como fuente de carbono para su crecimiento; y compuestos de múltiples carbonos que no contienen enlaces carbono-carbono, como el dimetiléter y la dimetilamina . Este grupo de microorganismos también incluye aquellos capaces de asimilar compuestos de un carbono reducido a través de dióxido de carbono utilizando la vía de la ribulosa bisfosfato . [1] Estos organismos no deben confundirse con los metanógenos que, por el contrario, producen metano como subproducto de varios compuestos de un solo carbono, como el dióxido de carbono. Algunos metilotrofos pueden degradar el metano, gas de efecto invernadero , y en este caso se denominan metanótrofos . La abundancia, pureza y bajo precio del metanol en comparación con los azúcares comúnmente utilizados hacen que los metilotrofos sean organismos competentes para la producción de aminoácidos , vitaminas, proteínas recombinantes, proteínas unicelulares , coenzimas y citocromos .
El intermediario clave en el metabolismo metilotrófico es el formaldehído, que puede desviarse hacia vías de asimilación o disimilación. [2] Los metilótrofos producen formaldehído mediante la oxidación de metanol y/o metano. La oxidación del metano requiere la enzima metano monooxigenasa ( MMO ). [3] [4] Los metilótrofos con esta enzima reciben el nombre de metanótrofos . La oxidación del metano (o metanol) puede ser de naturaleza asimilatoria o disimilatoria (ver figura). Si es disimilatorio, el intermediario formaldehído se oxida completamente para producir reductor y energía. [5] [6] Si es asimilativo, el intermediario formaldehído se utiliza para sintetizar un compuesto de 3 carbonos ( ) para la producción de biomasa. [2] [7] Muchos metilotrofos utilizan compuestos multicarbonados para el anabolismo, limitando así el uso de formaldehído a procesos de disimilación; sin embargo, los metanótrofos generalmente se limitan únicamente al metabolismo. [2] [5]
Los metilotrofos utilizan la cadena de transporte de electrones para conservar la energía producida por la oxidación de compuestos. Se requiere un paso de activación adicional en el metabolismo metanotrófico para permitir la degradación del metano químicamente estable. Esta oxidación a metanol es catalizada por MMO, que incorpora un átomo de oxígeno al metano y reduce el otro átomo de oxígeno a agua, lo que requiere dos equivalentes de poder reductor. [4] [5] Luego, el metanol se oxida a formaldehído mediante la acción de la metanol deshidrogenasa ( MDH ) en las bacterias, [12] o una alcohol oxidasa no específica en la levadura. [13] Los electrones de la oxidación del metanol pasan a una quinona asociada a la membrana de la cadena de transporte de electrones para producir . [14]
En los procesos de disimilación, el formaldehído se oxida por completo y se excreta. El formaldehído se oxida para formar formato mediante la acción de la formaldehído deshidrogenasa ( FALDH ), que proporciona electrones directamente a una quinona asociada a la membrana de la cadena de transporte de electrones, generalmente el citocromo b o c. [2] [5] En el caso de deshidrogenasas asociadas, se produce. [7]
Finalmente, el formiato es oxidado por la formiato deshidrogenasa ( FDH ) citoplásmica o unida a la membrana , produciendo [15] y .
El principal desafío metabólico para los metilotrofos es la asimilación de unidades individuales de carbono en biomasa. A través de la síntesis de novo, los metilotrofos deben formar enlaces carbono-carbono entre moléculas de 1-carbono (). Este es un proceso que consume mucha energía, que los metilotrofos facultativos evitan mediante el uso de una variedad de compuestos orgánicos más grandes. [16] Sin embargo, los metilotrofos obligados deben asimilar moléculas. [2] [5] Hay cuatro vías de asimilación distintas con el tema común de generar una molécula. [2] Las bacterias utilizan tres de estas vías [7] [11] mientras que los hongos utilizan una. [17] Las cuatro vías incorporan 3 moléculas en intermediarios de múltiples carbonos y luego escinden un intermediario en una nueva molécula. Los intermedios restantes se reordenan para regenerar los intermedios multicarbonados originales.
Cada especie de bacteria metilotrófica tiene una única vía de asimilación dominante. [5] Las tres vías caracterizadas para la asimilación de carbono son las vías de asimilación de formaldehído de ribulosa monofosfato (RuMP) y serina, así como la vía de asimilación de CO 2 de ribulosa bisfosfato (RuBP) . [2] [7] [11] [18]
A diferencia de otras vías de asimilación, las bacterias que utilizan la vía RuBP obtienen todo su carbono orgánico de la asimilación. [5] [19] Esta vía se dilucida por primera vez en autótrofos fotosintéticos y es más conocida como el ciclo de Calvin. [19] [20] Poco después, se encontraron bacterias metilotróficas que podían crecer en compuestos reducidos utilizando esta vía. [21]
Primero, 3 moléculas de ribulosa 5-fosfato se fosforilan a ribulosa 1,5-bisfosfato ( RuBP ). La enzima ribulosa bifosfato carboxilasa ( RuBisCO ) carboxila estas moléculas de RuBP, lo que produce 6 moléculas de 3-fosfoglicerato ( PGA ). La enzima fosfoglicerato quinasa fosforila la PGA en 1,3-difosfoglicerato (DPGA). La reducción de 6 DPGA por la enzima gliceraldehído fosfato deshidrogenasa genera 6 moléculas del compuesto gliceraldehído-3-fosfato ( GAP ). Una molécula de GAP se desvía hacia la biomasa mientras que las otras 5 moléculas regeneran las 3 moléculas de ribulosa 5-fosfato. [7] [20]
Se sospechó de una nueva vía cuando no se encontró RuBisCO en el metanótrofo Mmethylmonas methanica . [22] A través de experimentos de radiomarcaje, se demostró que M. methanica utilizaba la vía del monofato de ribulosa (RuMP). Esto ha llevado a los investigadores a proponer que el ciclo RuMP puede haber precedido al ciclo RuBP. [5]
Al igual que el ciclo de RuBP, este ciclo comienza con 3 moléculas de ribulosa-5-fosfato. Sin embargo, en lugar de fosforilar ribulosa-5-fosfato, 3 moléculas de formaldehído forman un enlace CC a través de una condensación aldólica, produciendo 3 moléculas de 3-hexulosa 6-fosfato (hexulosa fosfato). Una de estas moléculas de fosfato de hexulosa se convierte en GAP y piruvato o fosfato de dihidroxiacetona ( DHAP ). El piruvato o DHAP se utiliza para la biomasa mientras que las otras 2 moléculas de hexulosa fosfato y la molécula de GAP se utilizan para regenerar las 3 moléculas de ribulosa-5-fosfato. [6] [22]
A diferencia de otras vías de asimilación, el ciclo de la serina utiliza ácidos carboxílicos y aminoácidos como intermediarios en lugar de carbohidratos. [5] [23] Primero, se añaden 2 moléculas de formaldehído a 2 moléculas del aminoácido glicina . Esto produce dos moléculas del aminoácido serina , el intermediario clave de esta vía. Estas moléculas de serina eventualmente producen 2 moléculas de 2-fosfoglicerato , una de las cuales se destina a la biomasa y la otra se utiliza para regenerar la glicina. En particular, la regeneración de glicina también requiere una molécula de , por lo tanto, la vía de la serina también se diferencia de las otras 3 vías por su requerimiento tanto de formaldehído como de . [22] [23]
El metabolismo de la levadura metilotrófica se diferencia del de las bacterias principalmente en función de las enzimas utilizadas y la vía de asimilación de carbono. A diferencia de las bacterias que utilizan MDH bacteriano, las levaduras metilotróficas oxidan el metanol en sus peroxisomas con una alcohol oxidasa no específica. Esto produce formaldehído y peróxido de hidrógeno. [24] [25] La compartimentación de esta reacción en los peroxisomas probablemente secuestra el peróxido de hidrógeno producido. La catalasa se produce en los peroxisomas para hacer frente a este subproducto nocivo. [17] [24]
La vía de la dihidroxiacetona (DHA), también conocida como vía del monofosfato de xilulosa (XuMP), se encuentra exclusivamente en la levadura. [24] [26] Esta vía asimila tres moléculas de formaldehído en 1 molécula de DHAP utilizando 3 moléculas de xilulosa 5-fosfato como intermediario clave.
La DHA sintasa actúa como una transferasa (transcetolasa) para transferir parte de la xilulosa 5-fosfato al DHA. Luego estas 3 moléculas de DHA son fosforiladas a DHAP por la triocinasa . Al igual que los otros ciclos, se producen 3 moléculas y 1 molécula se dirige para su uso como material celular. Las otras 2 moléculas se utilizan para regenerar xilulosa 5-fosfato. [27]
Como actores clave en el ciclo del carbono , los metilotrofos trabajan para reducir el calentamiento global principalmente mediante la absorción de metano y otros gases de efecto invernadero. En ambientes acuosos, las arqueas metanogénicas producen entre el 40 y el 50% del metano del mundo. La simbiosis entre metanógenos y bacterias metanotróficas disminuye en gran medida la cantidad de metano liberado a la atmósfera. [28]
Esta simbiosis también es importante en el medio marino. Las bacterias marinas son muy importantes para las redes tróficas y los ciclos biogeoquímicos , particularmente en las aguas superficiales costeras, pero también en otros ecosistemas clave, como los respiraderos hidrotermales . Existe evidencia de grupos diversos y generalizados de metilotrofos en el océano que tienen potencial para impactar significativamente los ecosistemas marinos y estuarinos . [29] Los compuestos de un carbono utilizados como fuente de carbono y energía por los metilotrofos se encuentran en todo el océano. Estos compuestos incluyen metano , metanol , aminas metiladas, haluros de metilo y compuestos de azufre metilados, como dimetilsulfuro (DMS) y dimetilsulfóxido ( DMSO ). [30] Algunos de estos compuestos son producidos por el fitoplancton y otros provienen de la atmósfera. Los estudios que incorporan una gama más amplia de sustratos de un carbono han encontrado una diversidad cada vez mayor de metilotrofos, lo que sugiere que la diversidad de este grupo bacteriano aún no se ha explorado por completo. [30]
Debido a que estos compuestos son volátiles e impactan el clima y la atmósfera, la investigación sobre la interacción de estas bacterias con estos compuestos de un carbono también puede ayudar a comprender los flujos aire-mar de estos compuestos, que impactan las predicciones climáticas. [31] [29] Por ejemplo, no está claro si el océano actúa como una fuente neta o un sumidero de metanol atmosférico, pero un conjunto diverso de metilotrofos utilizan metanol como su principal fuente de energía. En algunas regiones, se ha descubierto que los metilotrofos son un sumidero neto de metanol, [32] mientras que en otras se ha descubierto que un producto de la actividad de los metilotrofos, la metilamina , se emite desde el océano y forma aerosoles. [29] La dirección neta de estos flujos depende de la utilización por parte de los metilotrofos.
Los estudios han encontrado que la capacidad metilotrófica varía con la productividad de un sistema, por lo que los impactos de la metilotrofia probablemente sean estacionales. Debido a que algunos de los compuestos de un carbono utilizados por los metilotrofos, como el metanol y el TMAO , son producidos por el fitoplancton, su disponibilidad variará temporal y estacionalmente dependiendo de las floraciones de fitoplancton , los eventos climáticos y otros aportes del ecosistema. [33] Esto significa que se espera que el metabolismo metilotrófico siga una dinámica similar, que luego afectará los ciclos biogeoquímicos y los flujos de carbono. [29]
También se encontraron impactos de metilotrofos en respiraderos hidrotermales de aguas profundas . Los metilótrofos, junto con los oxidantes de azufre y los oxidantes de hierro, expresaron proteínas clave asociadas con la fijación de carbono . [34] Este tipo de estudios contribuirán a una mayor comprensión del ciclo del carbono en aguas profundas y la conectividad entre el ciclo del carbono en las profundidades del océano y en la superficie. La expansión de las tecnologías ómicas ha acelerado la investigación sobre la diversidad de metilotrofos, su abundancia y actividad en una variedad de nichos ambientales y sus interacciones entre especies. [35] Se deben realizar más investigaciones sobre estas bacterias y el efecto general de la reducción bacteriana y la transformación de compuestos de un carbono en el océano. La evidencia actual apunta a un papel potencialmente sustancial de los metilotrofos en el océano en el ciclo del carbono, pero también potencialmente en los ciclos globales del nitrógeno, el azufre y el fósforo, así como en el flujo aire-mar de compuestos de carbono, que podrían tener impactos climáticos globales. [31]
El uso de metilotrofos en el sector agrícola es otra forma en la que potencialmente pueden impactar el medio ambiente. Los fertilizantes químicos tradicionales aportan nutrientes que no se encuentran fácilmente en el suelo, pero pueden tener algunos impactos ambientales negativos y su producción es costosa. [36] Los metilótrofos tienen un alto potencial como biofertilizantes y bioinoculantes alternativos debido a su capacidad para formar relaciones mutualistas con varias especies de plantas. [37] Los metilótrofos proporcionan a las plantas nutrientes como fósforo soluble y nitrógeno fijo y también desempeñan un papel en la absorción de dichos nutrientes. [36] [37] Además, pueden ayudar a las plantas a responder a factores estresantes ambientales mediante la producción de fitohormonas . [36] El crecimiento metilotrófico también inhibe el crecimiento de patógenos vegetales dañinos e induce resistencia sistémica. [37] Se ha demostrado que los biofertilizantes metilotróficos utilizados solos o junto con fertilizantes químicos aumentan tanto el rendimiento como la calidad de los cultivos sin pérdida de nutrientes. [36]
