Clostridium acetobutylicum
A Microbial Biorealm page on the genus Clostridium acetobutylicum
Classification
Higher order taxa
Bacteria (Domain); Firmicutes (Phylum); Clostridia (Class); Clostridiales (Order); Clostridiaceae (Family); Clostridium (Género)
Especie
Clostridium acetobutylicum
Clostridium acetobutylicum ATCC 824 se considera la cepa tipo.
NCBI: Taxonomía
Descripción e importancia
Clostridium acetobutylicum es un bacilo gram positivo (1). El C. acetobutylicum suele residir en el suelo, aunque se ha encontrado en varios ambientes diferentes. Es mesófilo con temperaturas óptimas de 10-65°C. Además, el organismo es sacarolítico (puede descomponer el azúcar) (1) y es capaz de producir una serie de productos útiles comercialmente, en particular acetona, etanol y butanol (2).
C. acetobutylicum requiere condiciones anaeróbicas para crecer en su estado vegetativo. En su estado vegetativo, es móvil a través de flagelos en toda su superficie. Solo puede sobrevivir hasta varias horas en condiciones aeróbicas, en las que formará endosporas que pueden durar años incluso en condiciones aeróbicas. Solo cuando estas esporas se encuentran en condiciones anaeróbicas favorables, el crecimiento vegetativo continuará (1).
Se aisló por primera vez entre 1912 y 1914 (2). Chaim Weizmann cultivó las bacterias para producir acetona, etanol y butanol en un proceso llamado método ABE. Por lo tanto, es apropiado que C. acetobutylicum a menudo se llame el “organismo de Weizmann”.”Los productos se utilizaron en la producción de TNT y pólvora en la primera Guerra Mundial (3). Después de la Primera Guerra Mundial, el proceso ABE se utilizó ampliamente hasta la década de 1950, cuando los procesos petroquímicos se volvieron más rentables debido al costo y la disponibilidad de fuentes de combustible de petróleo. La reciente crisis de los combustibles fósiles ha impulsado más investigaciones sobre el C. acetobutilicum y la utilización del proceso de EBA (2).
Además de ser una bacteria importante para uso industrial, C. acetobutylicum se estudia como modelo para la formación de endosporas en bacterias. Se ha comparado con la bacteria endospora más estudiada, Bacillus subtilis (2). Comprender las vías de formación de endosporas es importante porque muchas bacterias formadoras de endosporas son patógenos humanos, tanto en los géneros Bacillus como Clostridium.
La cepa más estudiada es la cepa tipo, ATCC 824. Esta cepa fue descubierta y aislada en el suelo de un jardín de Connecticut en 1924. La investigación ha indicado que el ampliamente estudiado ATCC 824 está estrechamente relacionado con la cepa Weizmann utilizada en la producción industrial temprana de acetona (2).
Estructura del genoma
El genoma de Clostridium acetobutylicum ATCC 824 se ha secuenciado utilizando el enfoque de escopeta. Esta es la cepa modelo para bacterias productoras de disolventes. El genoma consta de un cromosoma circular y un plásmido circular. El cromosoma contiene 3.940.880 pares de bases. Hay poco sesgo de hebra con aproximadamente el 51,5% de los genes que se transcriben de la hebra delantera y el 49,5% de la hebra complementaria (2).
Los genes comunes a las bacterias incluyen los 11 operones que codifican los ribosomas. Es interesante que cada uno de estos operones esté cerca del oriC (origen de la replicación) y orientado en la dirección de la cadena principal de la bifurcación de replicación. (2). Esta es una característica comúnmente observada conocida como dosificación de genes, en la que los genes altamente transcritos se colocan cerca del oriC. Debido a la orientación de estos genes, se transcribirán en mayor número mientras el ADN está en proceso de replicarse y hay copias adicionales del gen presentes dentro de la célula.
Además, el genoma contiene un plásmido grande (llamado megaplásmido). Este plásmido parece contener casi todos los genes involucrados en la producción de solventes y se denomina acertadamente pSOL1. pSOL1 contiene 192.000 pares de bases y códigos para 178 polipéptidos. El examen del plásmido no indica sesgo en el que la hebra es la hebra codificante (2).
Cuando el Clostridium acetobutylicum se cultiva en cultivo continuo o se somete a muchas transferencias, la cepa degenera lentamente, ya que pierde su capacidad para la producción de disolventes. Los experimentos para determinar qué causa la degeneración han demostrado que el pSOL1 contiene cuatro genes que son vitales para la producción de alcohol y acetona. En el transcurso de muchas transferencias o crecimiento vegetativo continuo, este plásmido se pierde. Otra evidencia de la pérdida de este plásmido que conduce a la degeneración por deformación es que los mutantes que carecen de estos genes e incapaces de producir solventes reanudan la producción de acetona y alcohol tras la complementación de los genes a través de plásmidos (4).
Otras cepas menos estudiadas de C. acetobutylicum, como ATCC 4259, han mostrado degeneración similar. El plásmido de esta cepa se llama pWEIZ. Una vez más, se cree que la degeneración debido al cultivo en serie de esta cepa ocurre debido a la pérdida eventual de pWEIZ. Vale la pena señalar esta cepa porque, curiosamente, estas cepas degeneradas tampoco esporulan. Esto ha estimulado la idea de que los genes implicados en la esporulación también existen en el plásmido tanto en el ATCC 4259 como en la cepa tipo, ATCC 824 (4, 2).
Metabolismo energético y subproductos
Clostridium acetobutylicum es un quimioorganótrofo. Obtiene energía a través de la fosforilación del sustrato por fermentación. Al igual que con toda fermentación, el sustrato son moléculas orgánicas que actúan como donante y aceptor de electrones. De ello se deduce que es heterotrófica y que su fuente de carbono proviene de moléculas orgánicas. En particular, C. acetobutilicum requiere una fuente de carbohidratos capaz de fermentarse para sobrevivir (1).
además, C. acetobutylicum es un anaerobio obligado. Solo puede sobrevivir horas en un entorno aeróbico antes de someterse a esporulación como medio para sobrevivir durante períodos de tiempo mucho más largos en el entorno aeróbico. No muestra actividad de la catalasa, una enzima importante para los organismos aeróbicos para convertir un subproducto tóxico del metabolismo del oxígeno, el peróxido de hidrógeno, en agua y oxígeno (5). Sin embargo, contiene muchas enzimas que le permiten sobrevivir en ambientes microóxicos, como la superóxido dismutasa. Estas enzimas se regulan al alza en presencia de oxígeno y contribuyen a la supervivencia celular a corto plazo en entornos microóxicos (6).
C. acetobutilicum es capaz de utilizar una serie de carbohidratos fermentables diferentes como fuente de energía, así como de carbono. El genoma codifica las proteínas que ayudan a la descomposición de xilano, levan, pectina, almidón y otros polisacáridos (2). Curiosamente, mientras que los genes que comúnmente codifican para los celusomas, complejos de proteínas que descomponen la celulosa cristalina, están presentes, el organismo no puede crecer únicamente en sustratos de celulosa (7).
Se ha invertido una considerable investigación en las vías metabólicas de Clostridium acetobutylicum para mejorar las operaciones de fermentación industrial. Las vías metabólicas que producen solventes útiles industriales son más notables en C. acetobutylicum. Los disolventes acetona, acetato, butanol, butirato y etanol se derivan del precursor común, acetil-CoA (2). Además de estos productos, se producen CO2 y H2 (1).
Otra vía metabólica notable es que algunos clostridios (incluido C. acetobutylicum) son capaces de “fijar” el nitrógeno atmosférico. El proceso de fijación de nitrógeno reduce el N2 atmosférico en amoníaco, que luego se incorpora a las moléculas a través de la biosíntesis. Esto se determinó usando una forma etiquetada de nitrógeno, 15N2. Después de la secuencia, C. se encontró acetobutilicum ATCC 824, una serie de genes muy similares a los genes fijadores de nitrógeno en C. pasteurianum, confirmando aún más la capacidad de la bacteria para utilizar nitrógeno atmosférico (8).
Estructura y desarrollo celular
Durante el desarrollo celular temprano, C. acetobutylicum tiñe Gram positivo, sin embargo, puede teñir Gram negativo a medida que el cultivo envejece. Durante el crecimiento vegetativo, la célula presenta flagelos peritricosos (flagelos que cubren toda la superficie de la célula) (1). El aumento de la motilidad de las bacterias se ha implicado en el aumento de la producción de disolventes debido a la quimiotaxis. Los atrayentes incluyen ácido butírico y azúcar. Los repelentes notables incluyen acetona, butanol y etanol. Este mecanismo es lógico al permitir que la célula encuentre nutrientes y se aleje de los subproductos producidos por su propio metabolismo (9).
Además, se producen diferentes subproductos en diferentes fases de crecimiento en C. acetobutylicum. Durante la fase de crecimiento exponencial, los productos primarios son acetato y butirato. Durante este tiempo, también se está llevando a cabo la fijación de nitrógeno (8). Algún tiempo después de que la célula entra en fase estacionaria (18 horas), la producción de butanol y acetona alcanza su pico (1). Esta separación temporal de la fijación de nitrógeno y la producción de disolvente es ventajosa para evitar la competencia por los reductores en los dos procesos (8).
La etapa principal del desarrollo celular se caracteriza por la formación de una endospora. Una endospora es el tipo de célula más resistente conocido. Sobre ciertas señales ambientales, la célula vegetativa produce un tabique subterminal (1), un evento que se puede ver con microscopía electrónica . Este tabique eventualmente se convierte en otra célula, llamada el foresporo, envuelta por la célula original, llamada la célula madre. El foresporo está compuesto por una capa de corteza (principalmente peptidoglicano)y proteínas de la capa. Estas dos capas altamente resistentes rodean el núcleo, que es un citoplasma altamente deshidratado. El núcleo se define por la ausencia absoluta de metabolismo dentro de la célula. Las lisas de las células madre liberan la espora madura. Esta espora madura es resistente a altas temperaturas, productos químicos y muchos tipos de radiación, lo que le permite sobrevivir durante un número extraordinario de años. Sobre otras señales ambientales, como un ambiente anóxico, la célula germina y comienza de nuevo el ciclo vegetativo (10).
La formación de esporas comienza cuando la célula está expuesta a condiciones desfavorables. Las condiciones aeróbicas, la formación de subproductos orgánicos y la disipación del gradiente de protones fuera de la membrana citoplasmática conducen a la esporulación. Esto contrasta con el organismo modelo de formación de endosporas, Bacillus subtilis, que forma endosporas principalmente debido a la limitación de nutrientes (10).
Ecología
Mientras que la cepa tipo de C. se aisló acetobutylicum del suelo, C. acetobutylicum es omnipresente. Se ha encontrado en “sedimentos de lagos, agua de pozos y tripas de almejas” (1). Además, se ha registrado en diferentes muestras de heces, incluidas heces humanas, bovinas y caninas (1). Una búsqueda de la literatura revela que las relaciones patógenas o simbióticas no están documentadas.
Patología
C. acetobutylicum es completamente benigno para plantas y animales, sin embargo, muchas otras especies del género Clostridium son patógenos conocidos, incluyendo: Clostridium difficile, Clostridium botulinum, Clostridium tetani y Clostridium perfringen. En particular, C. botulinum y C. tetani, producen algunas de las neurotoxinas más letales conocidas (11).
Se ha encontrado C. acetobutylicum en el colon humano, sin embargo, no se sabe que sea parte de la flora humana normal (3). Además, debido a que el organismo no parece ser tóxico para los mamíferos a través de la producción de sustancias intracelulares o extracelulares, el organismo tendría que estar presente en cantidades enormes para producir cualquier amenaza (12).
El único problema de patología con C. acetobutylicum es la adquisición de genes de Clostridium patógeno como C. tetani o C. botulinum. Si bien no hay casos reportados de C. acetobutylicum adquiriendo estos genes, ha habido incidentes en la literatura en los que otras especies de Clostridium han causado botulismo infantil con toxinas muy similares a las presentes en C. botulinum. La similitud de las toxinas sugiere que la cepa de Clostridium normalmente no toxigénica adquirió genes codificadores de toxinas de C. botulinum, que probablemente estén presentes en un plásmido (13).
Aplicación a la biotecnología
El Clostridium acetobutylicum ha desempeñado un papel importante en la biotecnología a lo largo del siglo XX. Inicialmente, se necesitaba acetona en la producción de caucho sintético. Chaim Weizmann fue contratado para trabajar en el problema en la Universidad de Manchester y la fermentación se convirtió en una ruta atractiva para adquirir la acetona necesaria para el proceso. Entre 1912 y 1914, Weizmann aisló varias cepas. El mejor productor sería más tarde conocido como Clostridium acetobutylicum. El método ABE ideado por Weizmann ofrecía la ventaja de una mayor eficiencia frente a otros procesos de fermentación. Además, podría utilizar almidón de maíz como sustrato, mientras que otros procesos requerían el uso de patatas (3).
El estallido de la Primera Guerra Mundial en 1914 dio lugar a un enorme aumento de la necesidad de acetona. Sería un punto fundamental en el desarrollo del proceso de EBA utilizando el organismo de Weizmann. La acetona iba a ser utilizada en la producción de pólvora sin humo, conocida como cordita. En el transcurso de los próximos años, el proceso de Weizmann se utilizaría en una serie de grandes fábricas industriales a través de Gran Bretaña. Cuando Gran Bretaña no tuvo acceso al grano durante la guerra, el proceso se trasladó a fábricas en Canadá. Cuando Estados Unidos entró en la guerra en 1917, también abrió una serie de fábricas utilizando el método Weizmann. Después de que terminó la guerra, la necesidad de acetona disminuyó abruptamente. Sin embargo, las fábricas todavía se utilizaban para producir butanol, un solvente útil en la producción de lacas para la industria automotriz en expansión. Anteriormente, el butanol había sido un producto de desecho del proceso cuando el foco estaba en la producción de acetona. A finales de la década de 1920, la demanda de butanol continuó aumentando debido al crecimiento de la industria automotriz y se abrieron varias plantas nuevas con una enorme capacidad de producción. Dos de estas plantas producen 100 toneladas de acetona todos los días. Además del butanol, se producía etanol industrial para diversos fines. El gas hidrógeno emitido por el proceso se utilizó para hidrogenar aceites utilizados para alimentos. Alrededor de este tiempo, la melaza se convirtió en el sustrato principal para la fermentación ABE. Era más barato y más eficiente que el almidón de maíz. Cuando expiró la patente de la cepa Weizmann en 1937, se abrieron más plantas nuevas en todo el país e internacionalmente (3).
Sin embargo, a finales de los años 1950 y 1960, la industria petrolera comenzó a escalar a un ritmo increíble. Además, el precio de la melaza utilizada en la fermentación comenzó a subir abruptamente. Aunque se desarrollaron métodos de fermentación más eficientes, en última instancia no pudieron competir con la producción petroquímica de solventes industriales y la mayoría de las plantas se cerraron en 1957(3). Sin embargo, con el continuo aumento de los precios del petróleo, desde entonces se han realizado estudios para reconsiderar la fermentación como fuente de disolventes industriales. Algunos de estos procesos han intentado aumentar la eficiencia del proceso mediante la manipulación genética (14). Otros han examinado utilizando productos de desecho como suero de leche o virutas de madera como sustrato (15).
La investigación actual
C. acetobutylicum ha sido el foco de investigación como un mecanismo específico de administración de medicamentos terapéuticos a regiones cancerosas del cuerpo. C. el acetobutilico es necesariamente anaeróbico y, por lo tanto, la inyección intravenosa de esporas dará lugar a la germinación solo en regiones hipóxicas de tumores sólidos en el cuerpo. La manipulación genética de C. acetobutylicum para producir enzimas que activarán pro fármacos dentro de la región tumoral proporciona un mecanismo de entrega extremadamente específico a estos sitios tumorales (16).
Algunas de las investigaciones más recientes han investigado métodos alternativos para producir los solventes industriales que C. acetobutylicum se ha utilizado durante el siglo pasado para producir. En particular, se ha prestado especial atención al butanol como posible fuente de combustible alternativo para automóviles. El butanol y el etanol, ambos productos de la fermentación por C. acetobutylicum, han sido estudiados intensamente. De los dos, el butanol tiene ventajas sobre el etanol como fuente de combustible, así como muchos beneficios posibles sobre las fuentes de combustible actuales, ya que puede ofrecer emisiones más bajas y una mayor eficiencia. El factor más importante en el costo de la producción de butanol está asociado con el costo y la disponibilidad del sustrato. Por lo tanto, los estudios se han orientado hacia métodos novedosos de utilización de sustratos baratos. En un estudio de 2006, se propuso la fermentación de butanol a través de un nuevo proceso patentado en sustitución del proceso ABE. Implica el uso de fibra de maíz (específicamente xilema), como sustrato para C. acetobutylicum, para producir butanol barato. La principal ventaja de esta técnica es que la fibra de maíz es un subproducto en muchos procesos agrícolas y proporciona una fuente abundante de sustrato (17).
Otra fuente intensa de estudio para C. acetobutilicum es la producción de gas de hidrógeno como fuente de energía alternativa. El gas hidrógeno contiene una gran cantidad de energía, que podría ser una gasolina alternativa extremadamente beneficiosa. En particular, el uso de gas hidrógeno no produce dióxido de carbono ni gases de efecto invernadero. La mayor parte del gas de hidrógeno se produce actualmente utilizando fuentes no renovables; un medio alternativo de producción a través de la fermentación sería extremadamente valioso si se pudieran aumentar enormemente los rendimientos. Por lo tanto, se están explorando varios métodos de fermentación diferentes que podrían usarse para mejorar los rendimientos en la investigación más reciente con C. acetobutylicum. En particular, un reactor de lecho de goteo que utiliza glucosa como sustrato se ha presentado como una posibilidad, aunque los rendimientos son demasiado bajos para ser utilizados industrialmente. Sin embargo, algún tipo de aplicación de un lecho de goteo se considera un posible medio de producción en el futuro (18).
Taxonomía: NCBI
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Editado por Mark Hower, estudiante de Rachel Larsen y Kit Pogliano
