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Nueva vía metabólica descubierta en microbioma ruminal


Las vacas pueden adaptarse a un contenido fluctuante de sodio en su alimentación. Cómo lo hicieron fue hasta ahora un secreto. Investigadores de la Universidad de Goethe han descubierto una bacteria en el microbioma del rumen que tiene un nuevo tipo de respiración celular.


por la Universidad Goethe de Frankfurt am Main


La vaca solo puede procesar hierba en su rumen con la ayuda de miles de millones de microorganismos. Todo un zoológico de bacterias, arqueas y protozoos funciona allí como en una línea de producción: en primer lugar, estos organismos unicelulares descomponen la celulosa, un polisacárido. Otras bacterias fermentan los azúcares liberados en ácidos grasos, alcoholes y gases, como el hidrógeno y el dióxido de carbono. Finalmente, las arqueas metanogénicas transforman estos dos gases en metano.

Una vaca promedio produce alrededor de 110 litros de metano por día. Se escapa de la boca a través de la rumia, pero también se mezcla nuevamente con alimentos parcialmente digeridos. Como resultado, el contenido de sodio de la pulpa de hierba puede fluctuar en un grado considerable (entre 60 y 800 milimoles de cloruro de sodio (NaCl) por litro).

Un equipo de investigación alemán-estadounidense ha descubierto cómo las bacterias ruminales se adaptan a estas fluctuaciones extremas en el contenido de sodio: «Los análisis bioinformáticos del genoma de las bacterias ruminales llevaron a nuestro colega estadounidense Tim Hackmann a suponer que algunas bacterias ruminales tienen dos circuitos respiratorios diferentes. Uno de ellos funciona con iones de sodio y el otro sin ellos «, explica el profesor Volker Müller, del Departamento de Microbiología Molecular y Bioenergética de la Universidad de Goethe. Es por eso que Müller sugirió a su investigadora doctoral Marie Schölmerich que estudie a un representante típico en el microbioma de los rumiantes: la bacteria Pseudobutyrivibrio ruminis.

Junto con la estudiante de pregrado Judith Dönig y la estudiante de maestría Alexander Katsyv, Marie Schölmerich cultivó la bacteria. De hecho, pudieron corroborar ambos circuitos respiratorios. Como informan los investigadores en la edición actual de las Actas de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ), la ferredoxina portadora de electrones (Fd) se reduce durante la oxidación del azúcar. La ferredoxina reducida impulsa ambos circuitos respiratorios.

El único circuito respiratorio comprende el complejo enzimático Fd: NAD + oxidorreductasa (complejo Rnf). Utiliza energía para transportar iones de sodio fuera de la célula. Cuando vuelven a entrar en la célula, los iones de sodio desencadenan una ATP sintasa, por lo que se produce ATP. Este circuito respiratorio solo funciona en presencia de iones de sodio.

En ausencia de iones de sodio , la bacteria forma un circuito respiratorio alternativo con otro complejo enzimático: la hidrogenasa Ech (sinónimo: Fd: H + oxidorreductasa) produce hidrógeno y bombea protones fuera de la célula. Si estos vuelven a entrar en la célula a través de una segunda ATP sintasa que acepta protones pero no iones de sodio , también se produce ATP.

«Esta es la primera bacteria hasta ahora en la que estos dos circuitos respiratorios simples y completamente diferentes han sido corroborados, pero nuestros análisis bioinformáticos sugieren que también se encuentran en otras bacterias», explica Marie Schölmerich. «Parece, por lo tanto, que esta estrategia de adaptación está más extendida», asume.

Curiosamente, ambos complejos enzimáticos (Rnf y Ech) también se descubrieron en bacterias que son antiguas en términos de biología evolutiva. El grupo de investigación del profesor Müller los examinó en profundidad, pero siempre solo encontró uno de los dos complejos enzimáticos y nunca los dos juntos. «Ahora vamos a utilizar métodos de microbiología sintética para producir híbridos de bacterias que contienen ambos complejos con el fin de optimizarlos para procesos biotecnológicos. De esta manera, podemos aumentar el contenido de ATP celular, lo que hará posible la producción de productos de una calidad superior «, explica el profesor Müller. La intención es utilizar los circuitos respiratorios.para recuperar sustancias valiosas a través de la fermentación de gas de síntesis. Este es el tema de los ensayos que se llevan a cabo en el marco de un proyecto patrocinado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación.


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