Metabolismo energético de Bradyrhizobium diazoefficiens en relación con la biosíntesis y actividad flagelar

Abstract

Muchas bacterias son capaces de moverse en forma autopropulsada tanto en medio líquido como semisólido, siendo la natación o swimming uno de los tipos de movimiento más estudiados. Para este tipo de movimiento se requieren unos apéndices llamados flagelos, estructuras filamentosas que protruyen del cuerpo de la bacteria y se caracterizan por tener una longitud de varias veces la de la célula. Es mediante la rotación de estos filamentos que la bacteria puede nadar alcanzando velocidades de hasta 30 μm.seg−1. La rotación de estos flagelos es producida por un motor celular inserto en la membrana de la bacteria, que rota gracias a un flujo de protones desde el periplasma hacia el citoplasma. El flujo de protones en los motores celulares es posible gracias a una diferencia de potencial de protones en este sentido, al que llamaremos p. El potencial p se mantiene por la translocación de protones desde el interior de la bacteria hacia el exterior en la cadena de transporte de electrones (CTE). Este potencial es utilizado también para la síntesis de ATP, metabolito que interviene en múltiples reacciones bioquímicas, y es conocido como moneda de energía de la célula. Entonces, una bacteria que posee flagelos debe administrar p entre la síntesis de ATP y el movimiento de los flagelos. En este sentido construimos un modelo basado en la quimiosmótica y la termodinámica de no-equilibrio que relaciona el consumo de O2 en la CTE con la formación de ATP y el flujo de protones a través de los motores flagelares, para estudiar la contribución de p en uno u otro proceso. Como resultado, observamos que al incrementarse el número de flagelos manteniendo constante la tasa de consumo de ATP, se incrementa la tasa de consumo de O2, siendo estos procesos dependientes de la regulación de la relación NADH/NAD+. Bradyrhizobium diazoefficiens utiliza para nadar dos sistemas de flagelos: el flagelo subpolar y los flagelos laterales, ambos son activados por p. El primero es constitutivo y los segundos se inducen en ciertas fuentes de carbono (como L-arabinosa) y en otras no (como D-manitol). Para estudiar los parámetros energéticos de B. diazoefficiens con relación a la presencia de los flagelos laterales, realizamos cultivos en biorreactor de la cepa salvaje y de una mutante carente de flagelos laterales. Observamos que en la cepa salvaje la tasa de consumo de O2 era tres veces mayor con L-arabinosa que con D-manitol, en concordancia con la predicción del modelo matemático. Por su parte, el mutante no mostró diferencias entre los cultivos con L-arabinosa o D-manitol, corroborando que la diferencia en la tasa de consumo de O2 se debió a la actividad de los flagelos laterales. También realizamos una comparación del proteoma de cultivos de la cepa salvaje en L-arabinosa o D-manitol, de lo cual dedujimos que estos dos azúcares se oxidan por rutas muy diferentes. La L-arabinosa se oxida por la ruta L-KDA (similar a la de Entner-Doudoroff) seguida de la oxidación de oxalato, mientras que el D-manitol primero debe ser oxidado a D-fructuosa y luego pasa por la ruta de las pentosas-fosfato o el ciclo de Calvin-Benson-Bassham. Estas diferentes rutas podrían arrojar rendimientos energéticos distintos los cuales podrían explicar por qué en una fuente de carbono la bacteria puede mantener estructuras tan costosas como los flagelos laterales y en la otra no. Sin embargo, nuestras observaciones indicaron que el rendimiento energético de ambas rutas es similar, con lo cual la diferencia en la tasa de consumo de O2 parece ser más una consecuencia que la causa de la expresión diferencial de los flagelos laterales en L-arabinosa. Curiosamente, los cultivos en D-manitol expresaron diferencialmente la ribulosabisfosfato- carboxilasa-oxigenasa (RuBisCO) y la ribuloquinasa, indicando que en esas condiciones estaría activo el ciclo Calvin-Benson-Bassham. Para determinar en qué podría requerirse la actividad RuBisCO, obtuvimos un mutante delecional en cbbL, que codifica la subunidad catalítica de dicha enzima, y observamos que la mutación produjo defectos en el crecimiento y en la competitividad para nodular raices de soja.