Metabolismo de la xilosa

La D-xilosa es una aldosa de cinco carbonos (pentosa, monosacárido) que puede ser catabolizada o metabolizada en productos útiles por diversos organismos.Existen al menos cuatro vías diferentes para el catabolismo de la D-xilosa: la vía de la oxido-reductasa está presente en los microorganismos eucariotas. Los procariotas suelen utilizar la vía de la isomerasa, y dos vías oxidativas, llamadas vías de Weimberg y de Dahms, respectivamente, también están presentes en los microorganismos procariotas.Esta vía también se denomina «Xilosa Reductasa-Xilitol Deshidrogenasa» o XR-XDH. La xilosa reductasa (XR) y la xilitol deshidrogenasa (XDH) son las dos primeras enzimas de esta vía. La XR reduce la D-xilosa a xilitol mediante NADH o NADPH. Posteriormente, la XDH oxida el xilitol a D-xilulosa, utilizando el cofactor NAD+. En el último paso, la D-xilulosa es fosforilada por una quinasa que utiliza ATP, la XK+, para dar lugar a la D-xilulosa-5-fosfato, un intermediario de la vía de las pentosas fosfato.En esta vía, la enzima xilosa isomerasa convierte la D-xilosa directamente en D-xilulosa. Posteriormente, la D-xilulosa se fosforila a D-xilulosa-5-fosfato, como en la vía de la oxido-reductasa. En equilibrio, la reacción de la isomerasa produce una mezcla de 83 % de D-xilosa y 17 % de D-xilulosa, ya que la conversión de xilosa a xilulosa es energéticamente desfavorable.La vía de Weimberg es una vía oxidativa donde la D-xilosa se oxida a D-xilonolactona por acción de una D-xilosa deshidrogenasa, seguida de una lactonasa para hidrolizar la lactona a ácido D-xilónico. Una xilonato deshidratasa escinde una molécula de agua, lo que resulta en 2-ceto-3-desoxi-xilonato. La 2-ceto-3-desox-D-xilonato deshidratasa forma el α-cetoglutarato semialdehído. Este se oxida posteriormente mediante la α-cetoglutarato semialdehído deshidrogenasa para producir 2-cetoglutarato, un intermediario clave en el ciclo del ácido cítrico.La vía de Dahms comienza como la vía de Weimberg, pero el 2-ceto-3-desoxixilonato es descompuesto por una aldolasa en piruvato y glicolaldehído.Es deseable fermentar la D-xilosa a etanol. Esto puede lograrse mediante levaduras nativas que fermentan xilosa, como Scheffersomyces Pichia stipitis, o mediante cepas metabólicamente modificadas de Saccharomyces cerevisiae. Pichia stipitis no es tan tolerante al etanol como la levadura productora tradicional, Saccharomyces cerevisiae. Por otro lado, S. cerevisiae no puede fermentar la D-xilosa a etanol. En un intento por generar cepas de S. cerevisiae capaces de fermentar la D-xilosa, se utilizaron los genes XYL1 y XYL2 de P. stipitis, que codifica la D-xilosa reductasa (XR) y la xilitol deshidrogenasa (XDH), respectivamente, se introdujo en S. cerevisiae mediante ingeniería genética. La XR cataliza la formación de xilitol a partir de D-xilosa y la XDH, la formación de D-xilulosa a partir de xilitol. Saccharomyces cerevisiae puede fermentar naturalmente la D-xilulosa a través de la vía de las pentosas fosfato.En otro enfoque, se han introducido xilosa isomerasas bacterianas en S. cerevisiae. Esta enzima cataliza la formación directa de D-xilulosa a partir de D-xilosa. Muchos intentos de expresar isomerasas bacterianas fracasaron debido a problemas de plegamiento u otros problemas, pero una xilosa isomerasa del hongo anaeróbico Piromyces Sp. ha demostrado ser eficaz. Una ventaja que se atribuye a S. cerevisiae modificada genéticamente con la xilosa isomerasa es que las células resultantes pueden crecer anaeróbicamente en xilosa tras la adaptación evolutiva.Estudios sobre el flujo a través de la vía oxidativa de las pentosas fosfato durante el metabolismo de la D-xilosa han revelado que limitar la velocidad de este paso puede ser beneficioso para la eficiencia de la fermentación a etanol. Las modificaciones de este flujo que pueden mejorar la producción de etanol incluyen la eliminación del gen GND1 o del gen ZWF1. Dado que la vía de las pentosas fosfato produce NADPH adicional durante el metabolismo, limitar este paso ayudará a corregir el desequilibrio ya evidente entre los cofactores NAD(P)H y NAD+ y a reducir la formación de subproductos de xilitol.Otro experimento que comparó las dos vías de metabolización de la D-xilosa reveló que la vía XI fue la más capaz de metabolizar la D-xilosa para producir el mayor rendimiento de etanol, mientras que la vía XR-XDH alcanzó una tasa de producción de etanol mucho más rápida.La sobreexpresión de los cuatro genes que codifican las enzimas no oxidativas de la vía de las pentosas fosfato (transaldolasa, transcetolasa, ribulosa-5-fosfato epimerasa y ribosa-5-fosfato cetol-isomerasa) condujo a una mayor tasa de fermentación de D-xilulosa y D-xilosa.El objetivo de esta recombinación genética en el laboratorio es desarrollar una cepa de levadura que produzca etanol eficientemente. Sin embargo, la eficacia de las cepas de laboratorio que metabolizan la D-xilosa no siempre refleja su capacidad metabólica con productos naturales de xilosa cruda. Dado que la D-xilosa se aísla principalmente de residuos agrícolas, como las reservas de madera, las levaduras nativas o modificadas genéticamente deberán ser eficaces en el metabolismo de estas fuentes naturales menos puras.Se ha probado en el laboratorio la variación de la expresión de los niveles de las enzimas XR y XDH con el fin de optimizar la eficiencia de la vía metabólica de la D-xilosa.