Un nuevo estudio proporciona una comprensión fundamental de la diversificación de moléculas pequeñas llamadas quinonas respiratorias y sus consecuencias adaptativas en especies bacterianas. Los bioingenieros de la Universidad de California en San Diego examinaron específicamente cómo la respiración se ve afectada por los diferentes tipos de quinonas presentes en las bacterias que crecen enambientes aeróbicos.
El equipo, dirigido por Bernhard Palsson, profesor de bioingeniería de Galletti en UC San Diego, y Amitesh Anand, investigador postdoctoral en el laboratorio de Palsson, publicaron sus hallazgos el 25 de noviembre Actas de la Academia Nacional de Ciencias PNAS.
El proceso de respiración depende de diferentes tipos de pequeñas moléculas localizadas en la membrana, activas redox, conocidas como quinonas respiratorias. Un tipo, ubiquinona, se usa en las formas de vida modernas para la respiración aeróbica. Históricamente, su apariencia se superpone con la aparición deoxígeno en la tierra. Otro tipo, la naftoquinona, se usa principalmente en organismos antiguos que existieron hace aproximadamente 2.500 millones de años cuando la tierra tenía poco o nada de oxígeno para la respiración anaeróbica.
Esta diversificación de la quinona se superpone con la oxigenación del medio ambiente de la tierra y, por lo tanto, se cree que es una respuesta adaptativa al aumento en los niveles de oxígeno. Sin embargo, una gran cantidad de especies bacterianas aún respiran aeróbicamente usando la antigua quinona respiratoria, la naftoquinona.
E. coli y varias otras especies bacterianas adquirieron la capacidad de producir ubiquinona mientras retienen las vías para producir naftoquinona. Curiosamente, estas especies bacterianas usan ubiquinona para la respiración aeróbica y naftoquinona para la respiración anaeróbica. Especies bacterianas desprovistas de ubiquinona, como Staphylococcus aureus y Mycobacterium tuberculosis, puede respirar eficientemente aeróbicamente usando naftoquinona.
Para examinar las limitaciones metabólicas del uso de naftoquinona aeróbica en especies bacterianas con la capacidad de producir ambos tipos de quinonas respiratorias, los investigadores diseñaron una cepa de ubiquinona deficiente E. coli para forzarlo a respirar aeróbicamente usando la antigua quinona respiratoria. Luego realizaron una evolución de laboratorio adaptativa de esta cepa para comprender los desafíos metabólicos que enfrentan las especies bacterianas cuando usan la quinona antigua en entornos aeróbicos. El objetivo era recrear las condiciones duranteEl rápido aumento de oxígeno en la atmósfera de la Tierra, un evento comúnmente conocido como el Gran Evento de Oxigenación.
El E. coli se observó que las cepas que evolucionaron para respirar aeróbicamente usando naftoquinona activan un subconjunto de sistemas de defensa celular que son los principales responsables de mitigar el estrés oxidativo en el espacio periplásmico. El potencial redox relativamente menor de la naftoquinona lo hace más propenso a la fuga de electrones no productivadurante el funcionamiento de la cadena de transferencia de electrones en la respiración, que puede generar radicales reactivos y dañar la célula.
Al activar un mecanismo de defensa, las bacterias experimentaron una operación más segura de la cadena de transferencia de electrones y mostraron una mejora en su consumo de oxígeno. Sin embargo, la activación de este mecanismo de defensa requirió que las bacterias reasignaran recursos celulares finitos. Esto restringió la capacidad de crecimiento decepas evolucionadas. Los investigadores plantean la hipótesis de que esta llamada compensación "codicia de miedo" dirigió el advenimiento de la quinona de mayor potencial redox.
Comprender esta compensación por la codicia del miedo no solo promueve la comprensión básica de la evolución de la bioenergética microbiana, sino que también puede facilitar la modulación del crecimiento y la supervivencia de las bacterias, especialmente una amplia gama de bacterias patógenas que respiran aeróbicamente usando naftoquinona, dijeron los investigadores.
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Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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