Fermentación ácida mixta
Conversión bioquímica de azúcares de seis carbonos en ácidos en bacterias
La vía de fermentación ácida mixta en E. coli . [1] [2] Los productos finales están resaltados en azul.

En bioquímica , la fermentación ácida mixta es el proceso metabólico por el cual un azúcar de seis carbonos (por ejemplo, glucosa , C 6 H 12 O 6 ) se convierte en una mezcla compleja y variable de ácidos . Es una reacción de fermentación anaeróbica (que no requiere oxígeno) que es común en las bacterias . Es característica de los miembros de Enterobacteriaceae , una gran familia de bacterias Gram-negativas que incluye a E. coli . [3]

La mezcla de productos finales producida por la fermentación ácida mixta incluye lactato , acetato , succinato , formato , etanol y los gases H2 y CO2 . La formación de estos productos finales depende de la presencia de ciertas enzimas clave en la bacteria. La proporción en la que se forman varía entre diferentes especies bacterianas. [4] La vía de fermentación ácida mixta difiere de otras vías de fermentación, que producen menos productos finales en cantidades fijas. Los productos finales de la fermentación ácida mixta pueden tener muchas aplicaciones útiles en biotecnología e industria . Por ejemplo, el etanol se usa ampliamente como biocombustible . [5] Por lo tanto, se han diseñado metabólicamente múltiples cepas bacterianas en el laboratorio para aumentar los rendimientos individuales de ciertos productos finales. [2] Esta investigación se ha llevado a cabo principalmente en E. coli y está en curso. Las variaciones de la fermentación ácida mixta ocurren en varias especies bacterianas, incluidos patógenos bacterianos como Haemophilus influenzae, donde se producen principalmente acetato y succinato y el lactato puede servir como sustrato de crecimiento. [6]

Fermentación ácida mixta enE. coli

La E. coli utiliza las vías de fermentación como una opción final para el metabolismo energético, ya que produce muy poca energía en comparación con la respiración. [7] La ​​fermentación ácida mixta en la E. coli ocurre en dos etapas. Estas etapas están descritas en la base de datos biológica de la E. coli , EcoCyc . [1]

La primera de estas dos etapas es una reacción de glucólisis. En condiciones anaeróbicas, se produce una reacción de glucólisis en la que la glucosa se convierte en piruvato :

      glucosa → 2 piruvato

Por cada molécula de glucosa convertida se produce una producción neta de 2 moléculas de ATP y 2 de NADH . El ATP se genera por fosforilación a nivel de sustrato . El NADH se forma a partir de la reducción del NAD.

En la segunda etapa, el piruvato producido por la glucólisis se convierte en uno o más productos finales a través de las siguientes reacciones. En cada caso, ambas moléculas de NADH generadas por la glucólisis se reoxidan a NAD + . Cada vía alternativa requiere una enzima clave diferente en E. coli . Después de que se forman cantidades variables de diferentes productos finales mediante estas vías, se secretan de la célula. [1]

La conversión de piruvato en lactato es catalizada por la enzima lactato deshidrogenasa .

Formación de lactato

El piruvato producido por la glucólisis se convierte en lactato . Esta reacción está catalizada por la enzima lactato deshidrogenasa (LDHA). [1]

      piruvato + NADH + H + → lactato + NAD +

Formación de acetato

El piruvato se convierte en acetil-coenzima A (acetil-CoA) por acción de la enzima piruvato deshidrogenasa . Esta acetil-CoA se convierte luego en acetato en E. coli , mientras se produce ATP por fosforilación a nivel de sustrato . La formación de acetato requiere dos enzimas: fosfato acetiltransferasa y acetato quinasa. [1]

La vía de fermentación ácida mixta es característica de la familia Enterobacteriaceae , que incluye E. coli.

      acetil-CoA + fosfato → acetil-fosfato + CoA

      acetilfosfato + ADP → acetato + ATP

Formación de etanol

El etanol se forma en E. coli mediante la reducción de la acetil coenzima A con NADH. Esta reacción de dos pasos requiere la enzima alcohol deshidrogenasa (ADHE). [1]

      acetil-CoA + NADH + H + → acetaldehído + NAD + + CoA

      acetaldehído + NADH + H + → etanol + NAD +

Formación de formatos

El formato se produce por la escisión del piruvato. Esta reacción está catalizada por la enzima piruvato-formiato liasa (PFL), que desempeña un papel importante en la regulación de la fermentación anaeróbica en E. coli . [8]

      piruvato + CoA → acetil-CoA + formato

Formación de succinato

Estructura esquelética del succinato

El succinato se forma en E. coli en varios pasos.

El fosfoenolpiruvato (PEP), un intermediario de la vía de la glucólisis , es carboxilado por la enzima PEP carboxilasa para formar oxaloacetato . [9] A esto le sigue la conversión de oxaloacetato en malato por la enzima malato deshidrogenasa . Luego, la fumarato hidratasa cataliza la deshidratación del malato para producir fumarato . [10]

      fosfoenolpiruvato + HCO 3 → oxaloacetato + fosfato

      oxaloacetato + NADH + H + → malato + NAD +

      malato → fumarato + H 2 O

La reacción final en la formación del succinato es la reducción del fumarato, catalizada por la enzima fumarato reductasa .

      fumarato + NADH + H + → succinato + NAD +

Esta reducción es una reacción de respiración anaeróbica en E. coli , ya que utiliza electrones asociados con la NADH deshidrogenasa y la cadena de transporte de electrones . El ATP se genera mediante un gradiente electroquímico y la ATP sintasa . Este es el único caso en la vía de fermentación ácida mixta donde el ATP no se produce a través de la fosforilación a nivel de sustrato. [1] [2]

La vitamina K 2 , también conocida como menaquinona, es muy importante para el transporte de electrones al fumarato en E. coli . [11]

Formación de hidrógeno y dióxido de carbono.

El formato se puede convertir en gas hidrógeno y dióxido de carbono en E. coli . Esta reacción requiere la enzima formato-hidrógeno liasa. Se puede utilizar para evitar que las condiciones dentro de la célula se vuelvan demasiado ácidas. [1]

      formato → H 2 y CO 2

Prueba del rojo de metilo

Prueba de rojo de metilo : el tubo de ensayo de la izquierda muestra un resultado positivo, ya que se forman productos finales ácidos por fermentación ácida mixta en E. coli . El tubo de ensayo de la derecha muestra un resultado negativo, ya que no se forman productos ácidos por fermentación.

La prueba del rojo de metilo (MR) puede detectar si se produce la vía de fermentación ácida mixta en los microbios cuando se les administra glucosa. Se utiliza un indicador de pH que tiñe de rojo la solución de prueba si el pH cae por debajo de 4,4. [12] Si se ha producido la vía de fermentación, la mezcla de ácidos que ha producido hará que la solución sea muy ácida y provocará un cambio de color rojo.

La prueba del rojo de metilo pertenece a un grupo conocido como pruebas IMViC .

Ingeniería metabólica

Se han modificado metabólicamente múltiples cepas bacterianas para aumentar los rendimientos individuales de los productos finales formados por la fermentación ácida mixta. Por ejemplo, se han desarrollado cepas para aumentar la producción de etanol, lactato, succinato y acetato debido a la utilidad de estos productos en la biotecnología . [2] El principal factor limitante para esta modificación es la necesidad de mantener un equilibrio redox en la mezcla de ácidos producida por la vía de fermentación. [13]

Para la producción de etanol

El etanol es el biocombustible más utilizado y se puede producir a gran escala mediante fermentación. El rendimiento teórico máximo para la producción de etanol se alcanzó alrededor de los 20 años. [14] [15] Los científicos utilizaron un plásmido que contenía los genes de la piruvato descarboxilasa y la alcohol deshidrogenasa de la bacteria Z. mobilis . Este se insertó en E. coli y dio como resultado un mayor rendimiento de etanol. El genoma de esta cepa de E. coli , KO11, se ha secuenciado y mapeado más recientemente. [16]

La fórmula esquelética del ácido poliláctico
Bolsitas de té elaboradas con ácido poliláctico (PLA)

Para la producción de acetato

La cepa W3110 de E. coli fue modificada genéticamente para generar 2 moles de acetato por cada mol de glucosa que pasa por fermentación. Esto se conoce como vía del homoacetato. [17]

Para la producción de lactato

El lactato se puede utilizar para producir un bioplástico llamado ácido poliláctico (PLA). Las propiedades del PLA dependen de la proporción de los dos isómeros ópticos del lactato (D-lactato y L-lactato). El D-lactato se produce mediante fermentación ácida mixta en E. coli . [18] Los primeros experimentos diseñaron la cepa de E. coli RR1 para producir uno de los dos isómeros ópticos del lactato. [19]

Experimentos posteriores modificaron la cepa de E. coli KO11, desarrollada originalmente para mejorar la producción de etanol. Los científicos lograron aumentar el rendimiento de D-lactato de la fermentación realizando varias deleciones . [20]

Para la producción de succinato

El aumento del rendimiento de succinato a partir de la fermentación ácida mixta se realizó primero sobreexpresando la enzima PEP carboxilasa . [21] Esto produjo un rendimiento de succinato que fue aproximadamente 3 veces mayor que lo normal. Se han realizado varios experimentos con un enfoque similar.

Se han aplicado enfoques alternativos para alterar el equilibrio redox y ATP para optimizar el rendimiento de succinato. [22]

Existen otras vías de fermentación que se dan en los microbios. [4] Todas estas vías comienzan con la conversión de piruvato, pero sus productos finales y las enzimas clave que requieren son diferentes. Estas vías incluyen:

  • Fermentación ácida mixta
  • Resumen de la fermentación de EcoCyc

Referencias

  1. ^ abcdefgh Keseler, Ingrid M.; et al. (2011). "EcoCyc: una base de datos completa de la biología de Escherichia coli". Nucleic Acids Research . 39 (número de la base de datos): D583–D590. doi :10.1093/nar/gkq1143. PMC  3013716 . PMID  21097882.
  2. ^ abcd Förster, Andreas H. y Johannes Gescher (2014). "Ingeniería metabólica de Escherichia coli para la producción de productos finales de fermentación de ácidos mixtos". Frontiers in Bioengineering and Biotechnology . 2 : 506–508. doi : 10.3389/fbioe.2014.00016 . PMC 4126452 . PMID  25152889. 
  3. ^ M. Magidan y J. Martinko (2006). "Biología de microorganismos de Brock, NJ, Pearson Prentice Hall". 11 : 352. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
  4. ^ ab Sharma, PD (2007). "Microbiología": 104. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
  5. ^ Farrell, Alexander E.; et al. (2006). "El etanol puede contribuir a los objetivos energéticos y medioambientales". Science . 311 (5760): 506–508. Bibcode :2006Sci...311..506F. doi :10.1126/science.1121416. PMID  16439656. S2CID  16061891.
  6. ^ Hosmer, Jennifer; Nasreen, Marufa; Dhouib, Rabeb; Essilfie, Ama-Tawiah; Schirra, Horst Joachim; Henningham, Anna; Fantino, Emmanuelle; Sly, Peter; McEwan, Alastair G.; Kappler, Ulrike (27 de enero de 2022). "El acceso a sustratos de crecimiento altamente especializados y la producción de metabolitos inmunomoduladores epiteliales determinan la supervivencia de Haemophilus influenzae en células epiteliales de las vías respiratorias humanas". PLOS Pathogens . 18 (1): e1010209. doi : 10.1371/journal.ppat.1010209 . ISSN  1553-7374. PMC 8794153 . PMID  35085362. 
  7. ^ Aserradores, R. Gary; Blokesch, Melanie ; Böck, agosto (2004). "Formiato anaeróbico y metabolismo del hidrógeno". EcoSal Plus . 1 (1). doi :10.1128/ecosalplus.3.5.4. PMID  26443350.
  8. ^ Knappe, Joachim y Gary Sawers (1990). "Una ruta química radical hacia la acetil-CoA: el sistema de piruvato formiato-liasa inducido anaeróbicamente de Escherichia coli". FEMS Microbiology Reviews . 6 (4): 383–398. doi : 10.1111/j.1574-6968.1990.tb04108.x . PMID  2248795.
  9. ^ Kai, Yasushi, Hiroyoshi Matsumura y Katsura Izui (2003). "Fosfoenolpiruvato carboxilasa: estructura tridimensional y mecanismos moleculares". Archivos de bioquímica y biofísica . 414 (2): 170–179. doi :10.1016/S0003-9861(03)00170-X. PMID  12781768.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  10. ^ Thakker, Chandresh; et al. (2012). "Producción de succinato en Escherichia coli". Revista de biotecnología . 7 (2): 213–224. doi :10.1002/biot.201100061. PMC 3517001 . PMID  21932253. 
  11. ^ Guest, JOHN R (1977). "Biosíntesis de menaquinona: mutantes de Escherichia coli K-12 que requieren 2-succinilbenzoato". Journal of Bacteriology . 130 (3): 1038–1046. doi :10.1128/jb.130.3.1038-1046.1977. PMC 235325 . PMID  324971. 
  12. ^ HT Clarke; WR Kirner (1922). "Rojo de metilo". Org. Sintetizador. 2 : 47. doi : 10.15227/orgsyn.002.0047.
  13. ^ van Hoek; Milan JA y Roeland MH Merks (2012). "El equilibrio redox es clave para explicar el cambio total o parcial a un metabolismo de bajo rendimiento". BMC Systems Biology . 6 (1): 22. doi : 10.1186/1752-0509-6-22 . PMC 3384451 . PMID  22443685. 
  14. ^ Ingram, LO; et al. (1987). "Ingeniería genética de la producción de etanol en Escherichia coli". Microbiología Aplicada y Ambiental . 53 (10): 2420–2425. Bibcode :1987ApEnM..53.2420I. doi :10.1128/aem.53.10.2420-2425.1987. PMC 204123 . PMID  3322191. 
  15. ^ Ohta, Kazuyoshi; et al. (1991). "Mejora genética de Escherichia coli para la producción de etanol: integración cromosómica de genes de Zymomonas mobilis que codifican la piruvato descarboxilasa y la alcohol deshidrogenasa II". Microbiología Aplicada y Ambiental . 57 (4): 893–900. Bibcode :1991ApEnM..57..893O. doi :10.1128/aem.57.4.893-900.1991. PMC 182819 . PMID  2059047. 
  16. ^ Turner, Peter C.; et al. (2012). "El mapeo óptico y la secuenciación del genoma de Escherichia coli KO11 revelan reordenamientos cromosómicos extensos y múltiples copias en tándem de los genes pdc y adhB de Zymomonas mobilis". Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology . 39 (4): 629–639. doi : 10.1007/s10295-011-1052-2 . PMID  22075923. S2CID  15100287.
  17. ^ Causey, TB; et al. (2003). "Ingeniería del metabolismo de Escherichia coli W3110 para la conversión de azúcar en productos redox-neutrales y oxidados: producción de homoacetato". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 100 (3): 825–832. Bibcode :2003PNAS..100..825C. doi : 10.1073/pnas.0337684100 . PMC 298686 . PMID  12556564. 
  18. ^ Clark, David P (1989). "Las vías de fermentación de Escherichia coli". FEMS Microbiology Reviews . 5 (3): 223–234. doi : 10.1111/j.1574-6968.1989.tb03398.x . PMID  2698228.
  19. ^ Chang, Dong-Eun; et al. (1999). "Producción homofermentativa de d-orl-lactato en Escherichia coli RR1 metabólicamente modificada". Microbiología Aplicada y Ambiental . 65 (4): 1384–1389. Bibcode :1999ApEnM..65.1384C. doi :10.1128/AEM.65.4.1384-1389.1999. PMC 91196 . PMID  10103226. 
  20. ^ Zhou, S.; et al. (2005). "Fermentación de azúcar al 10 % (p/v) a D (−)-lactato mediante Escherichia coli B modificada genéticamente". Biotechnology Letters . 27 (23–24): 1891–1896. doi :10.1007/s10529-005-3899-7. PMID  16328986. S2CID  43204090.
  21. ^ Millard, Cynthia Sanville; et al. (1996). "Producción mejorada de ácido succínico mediante la sobreexpresión de la fosfoenolpiruvato carboxilasa en Escherichia coli". Microbiología Aplicada y Ambiental . 62 (5): 1808–1810. Bibcode :1996ApEnM..62.1808M. doi :10.1128/aem.62.5.1808-1810.1996. PMC 167956 . PMID  8633880. 
  22. ^ Singh, Amarjeet; et al. (2011). "Manipulación del equilibrio redox y ATP para mejorar la producción de succinato en E. coli ". Ingeniería metabólica . 13 (1): 76–81. doi :10.1016/j.ymben.2010.10.006. PMID  21040799.
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