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En biología , syntrophy , synthrophy , [1] o alimentación cruzada (de griego syn que significa juntos, trophé alimento significado) es el fenómeno de una especie que viven de los productos metabólicos de otra especie. En este tipo de interacción biológica , el crecimiento de un socio depende de los nutrientes , factores de crecimiento o sustratos proporcionados por el otro socio. Jan Dolfing describe la sintrofia como "la interdependencia crítica entre productor y consumidor ". [2]Este término para la interdependencia nutricional se usa a menudo en microbiología para describir esta relación simbiótica entre especies bacterianas. [3] [4] Morris y col . han descrito el proceso como " metabolismo estrictamente mutualista ". [5]

Sintrofia microbiana [ editar ]

La sintrofia juega un papel importante en una gran cantidad de procesos microbianos.

La característica que define a los  rumiantes , como las vacas y las cabras, es un estómago llamado  rumen . El rumen contiene miles de millones de microbios, muchos de los cuales son sintróficos. Un excelente ejemplo de esta sintrofia es  la transferencia de hidrógeno entre especies . Algunos microbios fermentadores anaeróbicos en el rumen (y otros tractos gastrointestinales) son capaces de degradar la materia orgánica a ácidos grasos de cadena corta e hidrógeno. El hidrógeno acumulado inhibe la capacidad del microbio para continuar degradando la materia orgánica, pero la presencia de microbios sintróficos que consumen hidrógeno permite un crecimiento continuo al metabolizar los productos de desecho. Además, las bacterias fermentativas obtienen el máximo rendimiento energético cuando los protonesse utilizan como aceptor de electrones con concurrente H 2  producción. Los organismos consumidores de hidrógeno incluyen metanógenos , reductores de sulfato, acetógenos y otros. Algunos productos de fermentación, como los ácidos grasos de más de dos átomos de carbono, los alcoholes de más de un átomo de carbono y los ácidos grasos aromáticos y de cadena ramificada, no pueden utilizarse directamente en la metanogénesis .

En acetogénesis procesos, estos productos se oxidan a acetato y H 2  por bacterias reductoras de protones obligado en relación syntrophic con metanogénicas arqueas tan bajo H 2  presión parcial es esencial para las reacciones acetogénicas para ser termodinámicamente favorable (? G <0). [6]

El número de células bacterianas que viven sobre o en el cuerpo humano, por ejemplo en todo el tubo digestivo y en la piel, es del orden de 10 veces el número total de células humanas que contiene. [7] Estos microbios son vitales , por ejemplo, para el funcionamiento del sistema digestivo e inmunológico. [8]

Otro ejemplo son los numerosos organismos que se alimentan de heces o estiércol. La dieta de una vaca consiste principalmente en pasto , cuya celulosa es transformada en lípidos por microorganismos en el intestino grueso de la vaca . Estos microorganismos no pueden utilizar los lípidos debido a la falta de oxígeno en el intestino, por lo que la vaca no absorbe todos los lípidos producidos. Cuando la hierba procesada sale del intestino como estiércol y sale al aire libre, muchos organismos, como el escarabajo pelotero , se alimentan de ella.

Otro ejemplo más es la comunidad de microorganismos en el suelo que viven de la hojarasca. Las hojas suelen durar un año y luego se reemplazan por otras nuevas. Estos microorganismos mineralizan las hojas desechadas y liberan nutrientes que son absorbidos por la planta. Estas relaciones se denominan sintrofia recíproca porque la planta vive de los productos de los microorganismos. Muchas   relaciones simbióticas se basan en la sintrofia.

Biodegradación de contaminantes [ editar ]

Las redes tróficas microbianas sintróficas pueden desempeñar un papel integral en la descomposición de contaminantes orgánicos como aceites, compuestos aromáticos y aminoácidos . [9] [10] [11]

La contaminación ambiental con petróleo tiene una gran importancia ecológica, pero puede estar mediada por la degradación sintrófica. [9]  Los alcanos  son cadenas de hidrocarburos que son el principal componente químico de los petróleos crudos y han sido degradados experimentalmente por redes tróficas microbianas sintróficas. [9] Los hidrocarburos del aceite se descomponen después de la activación por el  fumarato , un compuesto químico que es regenerado por otros microorganismos. [9]  Sin la regeneración, los microbios que degradan el aceite eventualmente se quedarían sin fumarato y el proceso cesaría. Este colapso es crucial en los procesos de  biorremediación  y ciclo global del carbono. [9]

Las comunidades microbianas sintróficas son actores clave en la descomposición de  compuestos aromáticos , que son contaminantes comunes. [10] La degradación del benzoato aromático a metano produce muchos compuestos intermedios como formiato , acetato , CO2y H 2 . [10] La acumulación de estos productos hace que la degradación del benzoato sea cada vez menos favorable. Estos intermedios pueden luego ser absorbidos y metabolizados sintróficamente por metanógenos para hacer que todo el proceso sea más favorable termodinámicamente. [10]

Los estudios han demostrado que la degradación bacteriana de los  aminoácidos  se puede mejorar significativamente mediante el proceso de sintrofia. [11] Los microbios que crecen pobremente en sustratos de aminoácidos alanina , aspartato , serina , leucina , valina y glicina pueden tener su tasa de crecimiento dramáticamente incrementada por captadores de H 2 sintróficos . Estos carroñeros, como  Methanospirillum  y  Acetobacterium ,  metabolizan los desechos de H 2 producidos durante la descomposición de los aminoácidos, evitando la acumulación de tóxicos. [11]Otra forma de mejorar la degradación de los aminoácidos es mediante la transferencia de electrones entre especies mediada por formiato. Especies como Desulfovibrio emplean este método. [11]

Mecanismo metabólico [ editar ]

La razón principal detrás de una relación sintrófica entre dos organismos bacterianos se generaliza como una relación en la que la actividad metabólica de cada participante no puede superar de forma independiente la presión termodinámica de la reacción en condiciones estándar, incluso cuando se agrega un cosustrato o un nutriente al medio ambiente. Por lo tanto, se requiere la cooperación del otro participante para reducir el tamaño del grupo intermedio. [12]

La cultura Methanobacillus omelianskii es un ejemplo clásico que demuestra cómo dos reacciones desfavorables separadas pueden llevarse a cabo mediante interacciones sintróficas. [13] El organismo S y el organismo MoH de Methanobacillus omelianskii oxidan el etanol en acetato y metano mediante un proceso llamado transferencia de hidrógeno entre especies . Los individuos del organismo S se observan como bacterias anaeróbicas obligadas que usan etanol como donador de electrones , mientras que MoH ( Methanobacterium bryantii cepa MoH) son metanógenos que oxidan el gas hidrógeno para producir metano. [1][14] Estas dos reacciones metabólicas se pueden mostrar de la siguiente manera:

Organismo S: 2 CH 3 CH 2 OH + 2 H 2 O → 2 CH 3 COO - + 2 H + + 4 H 2 (ΔG ° '= +19 kJ)
Cepa MoH: 4 H 2 + CO
2→ CH 4 + 2 H 2 O (ΔG ° '= -131 kJ) [12] [15]

Los compuestos orgánicos complejos como el etanol, propionato , butirato y lactato no pueden usarse directamente como sustratos para la metanogénesis de los metanógenos. Por otro lado, la fermentación de estos compuestos orgánicos no puede ocurrir en microorganismos fermentadores a menos que los metanógenos reduzcan la concentración de hidrógeno a un nivel bajo. [6] En este caso, el hidrógeno, un compuesto portador de electrones (mediador), se transporta desde las bacterias fermentadoras hasta el metanógeno a través de un proceso llamado transferencia de electrones entre especies mediada (MIET), donde el mediador desciende por un gradiente de concentración creado por un termodinámicamentereacción redox acoplada favorable . [dieciséis]

Referencias [ editar ]

  1. ^ a b Wang, Lawrence; Ivanov, Volodymyr; Tay, Joo-Hwa; Hung, Yung-Tse (5 de abril de 2010). Volumen 10 de Biotecnología Ambiental . Springer Science & Business Media. pag. 127. ISBN 978-1-58829-166-0. Consultado el 3 de marzo de 2015 . CS1 maint: discouraged parameter (link)
  2. ↑ Dolfing, enero (1 de enero de 2014). "Sintrofia en pilas de combustible microbianas" . El diario ISME . 8 (1): 4–5. doi : 10.1038 / ismej.2013.198 . ISSN 1751-7362 . PMC 3869025 . PMID 24173460 .   
  3. ^ Microbiología, por Prescott, Harley & Klein 6.a edición
  4. ^ Diccionario de biología de Henderson, por Eleanor Lawrence, 14a edición
  5. ^ Morris, Brandon EL; Henneberger, Ruth; Huber, Harald; Moissl-Eichinger, Christine (2013). "Sintrofia microbiana: interacción para el bien común" . FEMS Microbiol Rev . 37 (3): 384–406. doi : 10.1111 / 1574-6976.12019 . PMID 23480449 . 
  6. ^ a b Stams, Alfons JM; De Bok, Frank AM; Plugge, Caroline M .; Van Eekert, Miriam HA; Dolfing, Jan; Schraa, Gosse (1 de marzo de 2006). "Transferencia de electrones exocelulares en comunidades microbianas anaeróbicas". Microbiología ambiental . 8 (3): 371–382. doi : 10.1111 / j.1462-2920.2006.00989.x . PMID 16478444 . 
  7. ^ Crazy Way Microbes Colonize, Control The Human Body Entrevista con el Dr. Justin Sonnenburg, profesor asistente de microbiología e inmunología en la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford
  8. ^ Los microbios y el cuerpo humano La Sociedad de Microbiología en línea
  9. ^ a b c d e Callaghan, AV; Morris, BEL; Pereira, I. a. C.; McInerney, MJ; Austin, RN; Groves, JT; Kukor, JJ; Suflita, JM; Young, LY (1 de enero de 2012). "La secuencia del genoma de Desulfatibacillum alkenivorans AK-01: un modelo para la oxidación anaeróbica de alcanos". Microbiología ambiental . 14 (1): 101-113. doi : 10.1111 / j.1462-2920.2011.02516.x . ISSN 1462-2920 . PMID 21651686 .  
  10. ^ a b c d Ferry, JG; Wolfe, RS (febrero de 1976). "Degradación anaeróbica de benzoato a metano por un consorcio microbiano". Archivos de Microbiología . 107 (1): 33–40. doi : 10.1007 / bf00427864 . ISSN 0302-8933 . PMID 1252087 . S2CID 31426072 .   
  11. ^ a b c d Zindel, U .; Freudenberg, W .; Rieth, M .; Andreesen, JR; Schnell, J .; Widdel, F. (1 de julio de 1988). "Eubacterium acidaminophilum sp. Nov., Un anaerobio versátil que degrada aminoácidos que produce o utiliza H2 o formiato". Archivos de Microbiología . 150 (3): 254–266. doi : 10.1007 / BF00407789 . ISSN 0302-8933 . S2CID 34824309 .  
  12. ↑ a b Schink, B. (1 de junio de 1997). "Energética de la cooperación sintrófica en la degradación metanogénica" . Revisiones de Microbiología y Biología Molecular . 61 (2): 262–280. doi : 10.1128 / .61.2.262-280.1997 . ISSN 1092-2172 . PMC 232610 . PMID 9184013 .   
  13. ^ Morris, Brandon EL; Henneberger, Ruth; Huber, Harald; Moissl-Eichinger, Christine (2013). "Sintrofia microbiana: interacción para el bien común" . FEMS Microbiol Rev . 37 (3): 384–406. doi : 10.1111 / 1574-6976.12019 . PMID 23480449 . 
  14. ^ McInerney, Michael J .; Struchtemeyer, Christopher G .; Sieber, Jessica; Mouttaki, Housna; Stams, Alfons JM; Schink, Bernhard; Rohlin, Lars; Gunsalus, Robert P. (1 de marzo de 2008). "Fisiología, ecología, filogenia y genómica de microorganismos capaces de metabolismo sintrófico" . Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York . 1125 (1): 58–72. doi : 10.1196 / annals.1419.005 . PMID 18378587 . S2CID 17250234 .  
  15. ^ Drake, Harold L .; Horn, Marcus A .; Wüst, Pia K. (1 de octubre de 2009). "El metabolismo del ecosistema intermedio como principal impulsor de la metanogénesis en suelos ácidos de humedales". Informes de microbiología ambiental . 1 (5): 307–318. doi : 10.1111 / j.1758-2229.2009.00050.x . PMID 23765883 . 
  16. ^ Storck, Tomas; Virdis, Bernardino; Batstone, Damien J. (2016). "Modelado de limitaciones extracelulares para la transferencia de electrones entre especies mediada versus directa" . El diario ISME . 10 (3): 621–631. doi : 10.1038 / ismej.2015.139 . PMC 4817672 . PMID 26545286 .