Alcalófilo

Alcalófilos son una clase de microbios extremófilos capaces de sobrevivir en ambientes alcalinos (pH aproximadamente 8,5-11), creciendo de manera óptima alrededor de un pH de 10. Estas bacterias se pueden clasificar además como alcalófilos obligados (aquellos que requieren un pH alto para sobrevivir), alcalófilos facultativos (aquellos capaces de sobrevivir a un pH alto, pero también crecer en condiciones normales) y haloalcalófilos (aquellos que requieren un alto contenido de sal para sobrevivir).

Información general

El crecimiento microbiano en condiciones alcalinas presenta varias complicaciones para la actividad bioquímica normal y la reproducción, ya que el pH alto es perjudicial para los procesos celulares normales. Por ejemplo, la alcalinidad puede provocar la desnaturalización del ADN, la inestabilidad de la membrana plasmática y la inactivación de las enzimas citosólicas, así como otros cambios fisiológicos desfavorables. Por lo tanto, para sortear adecuadamente estos obstáculos, los alcalófilos deben poseer maquinaria celular específica que funcione mejor en el rango alcalino o deben tener métodos para acidificar el citosol en relación con el ambiente extracelular. Para determinar cuál de las posibilidades anteriores utiliza un alcalófilo, la experimentación ha demostrado que las enzimas alcalófilas poseen óptimos de pH relativamente normales. La determinación de que estas enzimas funcionan más eficientemente cerca de rangos de pH fisiológicamente neutros (alrededor de 7,5 a 8,5) fue uno de los pasos principales para dilucidar cómo los alcalófilos sobreviven en ambientes intensamente básicos. Dado que el pH citosólico debe permanecer casi neutro, los alcalófilos deben tener uno o más mecanismos para acidificar el citosol en presencia de un ambiente altamente alcalino.

Mecanismos de acidificación citosólica

Los alcalófilos mantienen la acidificación citosólica por medios tanto pasivos como activos. En la acidificación pasiva, se ha propuesto que las paredes celulares contengan polímeros ácidos compuestos de residuos como ácido galacturónico, ácido glucónico, ácido glutámico, ácido aspártico y ácido fosfórico. Juntos, estos residuos forman una matriz ácida que ayuda a proteger la membrana plasmática de condiciones alcalinas al impedir la entrada de iones de hidróxido y permitir la absorción de iones de sodio e hidronio. Además, el peptidoglicano en el alcalófilo B. subtilis se ha observado que contiene niveles más altos de hexosaminas y aminoácidos en comparación con su contraparte neutrófila. Cuando los alcalófilos pierden estos residuos ácidos en forma de mutaciones inducidas, se ha demostrado que su capacidad para crecer en condiciones alcalinas se ve gravemente obstaculizada. Sin embargo, generalmente se acepta que los métodos pasivos de acidificación citosólica no son suficientes para mantener un pH interno de 2 a 2,3 niveles por debajo del pH externo; también debe haber formas activas de acidificación. El método más caracterizado de acidificación activa es en forma de antiportadores Na+/H+. En este modelo, los iones H+ son primero extruidos a través de la cadena de transporte de electrones en las células que respiran y, hasta cierto punto, a través de una ATPasa en las células fermentativas. Esta extrusión de protones establece un gradiente de protones que impulsa a los antiportadores electrogénicos, que expulsan el Na+ intracelular fuera de la célula a cambio de una mayor cantidad de iones H+, lo que conduce a la acumulación neta de protones internos. Esta acumulación de protones conduce a una disminución del pH citosólico. El Na+ extruido se puede utilizar para el transporte simultáneo de solutos, que son necesarios para los procesos celulares. Se ha observado que el antiportador de Na+/H+ es necesario para el crecimiento alcalifílico, mientras que las bacterias neutrófilas pueden utilizar los antiportadores de K+/H+ o los antiportadores de Na+/H+. Si los antiportadores Na+/H+ se desactivan mediante mutación u otro medio, las bacterias se vuelven neutrofílicas. El sodio necesario para este sistema antipuerto es la razón por la que algunos alcalófilos sólo pueden crecer en ambientes salinos.

Diferencias en la producción de ATP alcalifílico

Además del método de extrusión de protones discutido anteriormente, se cree que el método general de respiración celular es diferente en los alcalófilos obligados en comparación con los neutrófilos. Generalmente, la producción de ATP opera estableciendo un gradiente de protones (mayor concentración de H+ fuera de la membrana) y un potencial eléctrico transmembrana (con carga positiva fuera de la membrana). Sin embargo, dado que los alcalófilos tienen un gradiente de pH invertido, parecería que la producción de ATP, que se basa en una fuerte fuerza motriz de protones, se reduciría gravemente. Sin embargo, lo opuesto es verdadero. Se ha propuesto que mientras se invierte el gradiente de pH, el potencial eléctrico transmembrana aumenta considerablemente. Este aumento de carga provoca la producción de mayores cantidades de ATP por cada protón translocado cuando es impulsado a través de una ATPasa. La investigación en esta área está en curso.

Aplicaciones e investigaciones futuras

Los alcalófilos prometen varios usos interesantes para la biotecnología y la investigación futura. Los métodos alcalifílicos para regular el pH y producir ATP son de interés en la comunidad científica. Sin embargo, quizás el mayor área de interés de los alcalófilos resida en sus enzimas: proteasas alcalinas; enzimas que degradan el almidón; celulasas; lipasas; xilanasas; pectinasas; quitinasas y sus metabolitos, incluidos: 2-fenilamina; carotenoides; sideróforos; derivados del ácido cólico y ácidos orgánicos. Se espera que una mayor investigación sobre las enzimas alcalófilas permita a los científicos recolectar las enzimas alcalófilas. enzimas para uso en condiciones básicas. La investigación destinada a descubrir antibióticos producidos por alcalófilos tuvo cierto éxito, pero se ha visto frenada por el hecho de que algunos productos producidos con un pH alto son inestables e inutilizables en un rango de pH fisiológico.

Ejemplos

Ejemplos de alcalófilos incluyen Halorhodospira halochloris, Natronomonas pharaonis y Thiohalospira alkaliphila.