Diauxie es una palabra griega acuñada por Jacques Monod para significar dos fases de crecimiento. La palabra se usa en inglés en biología celular para describir las fases de crecimiento de un microorganismo en cultivo por lotes a medida que metaboliza una mezcla de dos azúcares. En lugar de metabolizar los dos azúcares disponibles simultáneamente, las células microbianas los consumen comúnmente en un patrón secuencial, lo que resulta en dos fases de crecimiento separadas.
Fases de crecimiento
Jacques Monod descubrió el crecimiento diauxico 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 dos fases de crecimiento distintas son claramente visibles en el cultivo por lotes, como se ve en la Figura 1.
Durante la primera fase, las células metabolizan preferentemente el azúcar en el que puede crecer más rápido (a menudo glucosa, pero no siempre). Solo después de que se haya agotado el primer azúcar, las células cambian al segundo. En el momento del "cambio diauxico", a menudo hay 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 diauxico y se centró en el modelo de expresión génica del operón lac , 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, proporcionando una tasa de crecimiento más rápida, dicho organismo estará en desventaja reproductiva en comparación con aquellos que eligen crecer con el azúcar de soporte de 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 génica para usar maltosa solo después de que se haya agotado el suministro de glucosa.
Fermentación aeróbica
En el caso de la levadura de panadería o de cerveza Saccharomyces cerevisiae que crece sobre glucosa con abundante aireación, el patrón de crecimiento diaúxico se observa comúnmente en el cultivo discontinuo. Durante la primera fase de crecimiento, cuando hay suficiente glucosa y oxígeno disponible, las células de levadura prefieren la fermentación de 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 de la glucosa se oxida a dióxido de carbono en lugar de incorporarse a nuevos aminoácidos o ácidos grasos. . Al contrario del efecto Pasteur más comúnmente invocado , este fenómeno está más cerca del efecto Warburg observado en tumores de crecimiento más rápido.
Los mecanismos reguladores genéticos intracelulares 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 etanol producto de fermentación se oxida en una segunda fase de crecimiento notablemente más lenta, si hay oxígeno disponible.
Mecanismos propuestos
En la década de 1940, Monod planteó la hipótesis de que una sola enzima podría adaptarse para metabolizar diferentes azúcares. Se necesitaron 15 años de trabajo 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 que los β-galactósidos inducían la actividad enzimática. La idea de adaptación enzimática fue así reemplazada 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. [1]
En el caso del cambio diauxico bacteriano de la glucosa al metabolismo de la lactosa, un mecanismo propuesto sugirió que la glucosa inicialmente inhibe la capacidad de la enzima adenilato ciclasa para sintetizar AMP cíclico (AMPc). El cAMP, a su vez, es necesario para que la proteína activadora del catabolito (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 está presente. Por tanto, si hay glucosa presente, los niveles de AMPc permanecen bajos, por lo que CAP no puede activar la transcripción del operón lac, independientemente de la presencia o ausencia de lactosa. Tras el agotamiento del 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. [2]
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 diauxie de lactosa-glucosa en E. coli puede ser causada principalmente por exclusión de inductores. [3] En este modelo, el transporte de glucosa a través del EIIA Glc cierra la permeasa de lactosa cuando la glucosa se transporta a la célula, por lo que la lactosa no se transporta a la célula ni se utiliza. Si bien el mecanismo cAMP / CAP puede no desempeñar un papel en la diauxie glucosa / lactosa, es un mecanismo sugerido para otras diauxie.
Referencias
- ^ Mulligan, Martin. "Inducción" . Archivado desde el original el 16 de noviembre de 2007 . Consultado el 1 de enero de 2007 .
- ^ Brown, TA "Cambios transitorios en la actividad genética" . Consultado el 1 de enero de 2007 .
- ^ Stülke J, Hillen W. (1999). "Represión de catabolitos de carbono en bacterias". Opinión actual en microbiología . 2 (2): 195-201. doi : 10.1016 / S1369-5274 (99) 80034-4 . PMID 10322165 .