El vino, la cerveza y el yogurt se producen cuando los microorganismos convierten el azúcar en alcohol, gases o ácidos. Pero este proceso de fermentación, que es utilizado por bacterias, hongos y otras células de crecimiento rápido para generar energía en ausencia de oxígeno--es una forma mucho menos eficiente de generar energía para las células que la respiración aeróbica.
Entonces, ¿por qué muchos organismos usan esta estrategia aparentemente derrochadora para generar energía en lugar de la respiración aeróbica, incluso cuando el oxígeno está fácilmente disponible?
Los biólogos han reflexionado sobre este enigma durante casi un siglo y lo denominaron el "efecto Warburg" después del biólogo celular Otto Warburg, ganador del Premio Nobel. Descubrió en la década de 1920 que las células cancerosas generan energía al fermentar glucosa, que genera una gran cantidad dedesechos metabólicos como el ácido láctico.
El uso intensivo de glucosa por fermentación es, de hecho, cómo se identifican los tumores en las exploraciones PET. Pero si este proceso es tan ineficiente, Warburg y otros se preguntaron, ¿por qué tantos organismos dependen de él en lugar de utilizar el proceso más eficiente de¿respiración aeróbica?
Un equipo de físicos y biólogos de UC San Diego puede haber encontrado finalmente la respuesta a este misterio de casi 100 años. En el número de esta semana de la revista Naturaleza , los investigadores examinaron los costos metabólicos de sintetizar las enzimas y otros aparatos biológicos necesarios para la fermentación y la respiración aeróbica dentro de la bacteria E. coli, así como los ahorros metabólicos de generar energía a través de la respiración aeróbica. Descubrieron que el costo de la síntesis de proteínasanula el ahorro metabólico para las células de rápido crecimiento.
"Lo que descubrimos podría compararse con la diferencia entre generar energía en una fábrica de carbón y una planta de energía nuclear", dijo Terry Hwa, profesor de física y biología en la Universidad de California en San Diego que dirigió el estudio. "Las fábricas de carbón producen energía".menos eficiente que las centrales nucleares por carbono, pero son mucho más baratas de construir. Por lo tanto, la decisión de qué ruta generar energía depende de la disponibilidad de carbón y del presupuesto disponible para construir centrales eléctricas ".
"Para las células, resulta que también hay dos costos a considerar", agregó. "Uno es el costo de la materia prima. La respiración aeróbica genera más energía por átomo de carbono que la fermentación. El otro es el costo de oportunidad de sintetizarenzimas. Este costo se refiere al número de maquinaria de producción de proteínas, o ribosomas, que deben ser reclutados para sintetizar las enzimas relevantes. Demostramos que las enzimas para la respiración son voluminosas y lentas en comparación con las de la fermentación, por lo que muchastales enzimas necesitan ser sintetizadas, atando muchos ribosomas, para que la respiración suceda a tasas sustanciales. Este es un costo importante porque la cantidad de ribosomas es el factor limitante del crecimiento ".
"Para las células de crecimiento rápido con muchos nutrientes, si se usan muchos ribosomas para producir enzimas respiratorias, entonces pocos de ellos están disponibles para producir otras proteínas de crecimiento, incluidos los ribosomas mismos. Esto ralentizaría el crecimiento y es desventajoso paracélulas. La mayor eficiencia de carbono de la respiración no es una consideración importante aquí ya que los nutrientes son abundantes. Por otro lado, cuando los nutrientes son escasos y las células no pueden crecer rápidamente, entonces la demanda de ribosomas por otras funciones celulares se reduce, y el costo deatar los ribosomas es menos importante. Mientras tanto, el uso de la respiración para generar energía conserva los preciosos suministros de carbono, lo cual es una consideración mucho más importante en condiciones pobres de nutrientes ".
"De estos dos costos que la célula necesita considerar al generar energía, el costo del carbono es universalmente reconocido, es decir, la respiración es más eficiente en carbono. Lo que establecimos en este estudio es que el costo de generar energíael aparato también es sustancial, y de hecho es el costo dominante para las células de crecimiento rápido ".
La idea de este costo de oportunidad para el crecimiento celular fue sugerida por primera vez hace varios años por un equipo de biólogos teóricos de los Países Bajos. En el estudio de UC San Diego, Hwa y sus colaboradores caracterizaron experimentalmente el costo de sintetizar fermentación versus enzimas respiratorias mediante el uso deLa espectrometría de masa proteómica descubrió que las proteínas respiratorias son dos veces más caras que las proteínas de fermentación para la misma tasa de generación de energía. Su estudio es la primera vez que se establece un costo de este tipo para cualquier sistema vivo. Los investigadores también desarrollaron un modelo matemático que predijo cuantitativamenteel patrón de excreción metabólica de desechos en respuesta a las perturbaciones que aplicaron para afectar el estado fisiológico de las células en crecimiento.
Si bien no está claro si la misma razón subyace en el origen del "metabolismo derrochador" en el cáncer, los investigadores dijeron que creen que sus resultados proporcionan otra forma de pensar sobre el proceso.
"En lugar de que algo salga mal que debería arreglarse, esta puede ser la estrategia universal necesaria para el crecimiento rápido de las células", explicó Hwa. "Los resultados también pueden tener implicaciones en biotecnología: los ingenieros metabólicos siempre están tratando de reducir el desperdicio metabólico en ingenieríaorganismos para reducir los costos. Nuestros hallazgos sugieren que reducir los desechos puede ser perjudicial para los organismos y que se deben idear diferentes estrategias para aumentar la eficiencia metabólica ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Original escrito por Kim McDonald. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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