¿Por qué las células usan la fermentación?

VALENCIA (EP).- Un equipo de físicos y biólogos de la Universidad de California, San Diego, en Estados Unidos, podría haber encontrado por fin la respuesta a una cuestión de casi cien años de misterio: por qué muchos organismos utilizan la estrategia de la fermentación a pesar de que parece un desperdicio a la hora de generar energía en lugar de emplear la respiración aeróbica, incluso cuando el oxígeno está fácilmente disponible.

El vino, la cerveza y el yogur se producen cuando los microorganismos convierten el azúcar en alcohol, gases o ácidos, pero este proceso de fermentación -que es utilizado por bacterias, hongos y otras células de crecimiento rápido para generar energía en ausencia de oxígeno- es una forma mucho menos eficiente de generar energía para las células que la respiración aeróbica.

Los biólogos han reflexionado sobre este enigma durante casi un siglo y lo han apodado el "efecto Warburg" en honor al biólogo celular ganador del Premio Nobel Otto Warburg, quien descubrió en la década de 1920 que las células cancerosas generan energía por la fermentación de la glucosa, generando una gran cantidad de desechos metabólicos como el ácido láctico.

El uso intensivo de la glucosa por la fermentación es, de hecho, la forma en la que se identifican los tumores en las exploraciones de tomografía por emisión de positrones (PET). Pero si este proceso es tan ineficiente, Warburg y otros investigadores se preguntaron por qué dependen tantos organismos de él en lugar de utilizar la vía más eficiente de la respiración aeróbica.

En la edición de esta semana de la revista 'Nature', estos científicos explican su trabajo, en el que examinaron los costos metabólicos de la síntesis de las enzimas y otros aparatos biológicos necesarios para la fermentación y la respiración aeróbica dentro de la bacteria 'E. Coli', así como los ahorros metabólicos de la generación de energía a través de la respiración aeróbica. Así, encontraron que el costo de la síntesis de proteínas anula los ahorros metabólicos para las células de crecimiento rápido.

"Lo que descubrimos podría compararse a la diferencia entre la generación de energía por una fábrica de carbón frente a una planta de energía nuclear", pone como ejemplo el director del estudio, Terry Hwa, profesor de Física y Biología en la Universidad de California en San Diego.

"Las fábricas de carbón producen energía menos eficiente que las plantas de energía nuclear en una base por carbono, pero son mucho más baratas de construir. Así que la decisión de qué camino elegir para la generación de energía depende de la disponibilidad de carbón y el presupuesto disponible para la construcción de plantas de energía", añade.

"Para las células, resulta que también hay dos costos a tener en cuenta -continúa-. Uno de ellos es el costo de la materia prima. La respiración aeróbica genera más energía por átomo de carbono de fermentación. El otro es el costo de la oportunidad de sintetizar enzimas. Este costo se refiere al número de  maquinarias de fabricación de proteína, o ribosomas, que necesitan reclutarse para sintetizar enzimas relevantes".

"Hemos demostrado que las enzimas para la respiración son voluminosas y más lentas en comparación con las de la fermentación, por lo que se necesita sintetizar una gran cantidad de estas enzimas, atar una gran cantidad de ribosomas, para que la respiración se produzca en tasas sustanciales. Este es un costo importante porque el número de ribosomas es el factor limitante del crecimiento", explica.

"Para el rápido crecimiento de células con un montón de nutrientes, si se utilizan una gran cantidad de ribosomas para fabricar las enzimas respiratorias, a continuación, algunas de ellas están disponibles para hacer otras proteínas de crecimiento, incluyendo los propios ribosomas. Esto ralentiza el crecimiento y es perjudicial para las células. La mayor eficiencia de carbono de la respiración no es una consideración importante en este caso, ya que los nutrientes son abundantes", agrega.

"Por otro lado, cuando los nutrientes son escasos y las células no pueden crecer rápidamente, entonces la demanda de ribosomas por otras funciones celulares se reduce y el coste de atar ribosomas es menos importante. Mientras tanto, el uso de la respiración para generar energía conserva los suministros de carbono preciosos, lo cual es una consideración mucho más importante en las condiciones de nutrientes pobres", matiza.

"De estos dos costes la célula necesita considerar cuándo generar la energía, con el costo del carbono universalmente reconocido, es decir, la respiración es más carbono-eficiente. Lo que hemos establecido en este estudio es que el costo de hacer el aparato de generación de energía es también sustancial y, de hecho, es el costo dominante para células de crecimiento rápido", subraya.

Esta idea surgió hace varios años por un equipo de biólogos teóricos de los Países Bajos. En el estudio de la Universidad de California San Diego, Hwa y sus colaboradores caracterizaron experimentalmente el costo de sintetizar la fermentación frente a enzimas respiratorias mediante el uso de la espectrometría de masas proteómica y descubrieron que las proteínas respiratorias son el doble de caras que las proteínas de fermentación para la misma tasa de generación de energía.

Los investigadores también desarrollaron un modelo matemático que predice cuantitativamente el patrón de excreción de desechos metabólicos en respuesta a las perturbaciones que aplicaron para aparentar el estado fisiológico de las células en crecimiento. Aunque no está claro si la misma lógica subyace en el origen del "metabolismo de despilfarro" en el cáncer, según los investigadores, creen que sus resultados proporcionan otra manera de pensar en el proceso.