Generalidades Del género Azotobacter

Generalidades del género Azotobacter

La familia Azotobacteriaceae comprende a las bacterias del género Azotobacter, las cuales son Eubacterias Gram-negativas que tienen una pared celular compleja que consiste de una membrana externa y una capa interna de peptidoglicano que contiene ácido murámico y mureína. Se reproducen por fisión binaria, viven en suelos y en aguas frescas, son células ovoides y grandes de 1.5 a 2.0 μm de diámetro. Son pleomórficas, variando su morfología desde bacilos hasta células en forma de cocos. Se les observa como células individuales, como pares o formando agregados irregulares, y algunas veces formando cadenas de tamaño variable. Algunas especies como A. vinelandii y A. chrocoocum sufren un proceso de diferenciación para formar quistes resistentes a la desecación. Se mueven por flagelos perítricos, son aerobios, pero pueden crecer en concentraciones de oxígeno bajas. Algunas cepas producen pigmentos solubles o insolubles en agua.

Son quimioorganotróficas, utilizan azúcares, alcoholes y sales inorgánicas para crecer. Son fijadores de nitrógeno; en vida libre fijan al menos 10 mg de N2 por gramo de carbohidrato (glucosa) consumido. Requieren molibdeno para fijar nitrógeno que puede ser parcialmente reemplazado por vanadio. Utilizan nitrato y sales de amonio y ciertos aminoácidos como fuentes de nitrógeno. Son catalasa positivos. El rango de pH en el que crecen en presencia de nitrógeno combinado es 4.8-8.5 el pH óptimo para crecer cuando fijan nitrógeno es 7.0-7.5.

Azotobacter vinelandii es una bacteria poliploide, es decir posee varias copias de su cromosoma, se calcula que pueden tener hasta 80 copias. El número de copias varía dependiendo del medio y las condiciones de cultivo así como de la fase de crecimiento (35). Es de tamaño muy grande de 2x5 nm de diámetro es decir de 5 a10 veces el volumen de E. coli. Se ha asociado el tamaño con la poliploidía (Fig. 1).

Las capacidades metabólicas y genéticas por las que A. vinelandii ha sido y es objeto de estudio son principalmente:

1. Fija nitrógeno en presencia de oxígeno por tres sistemas diferentes de nitrogenasa.

2. Posee mecanismos de protección de la nitrogenasa

3. Posee una alta capacidad respiratoria que en condiciones diazotróficas o de fijación de nitrógeno es hasta 10 veces más alta que la de Escherichia coli.

4. Produce dos polímeros de uso industrial: el polisacárido extracelular alginato y el poliéster intracelular polihídroxibutirato.

5. Sufre un proceso de diferenciación morfológica para formar quistes resistentes a la desecación.

Fijación de nitrógeno

La fijación biológica de nitrógeno o reducción de N2 a NH4, es un proceso que pueden llevar a cabo solo algunos procariotes gracias a que poseen el complejo enzimático conocido como nitrogenasa, la cual está formada por dos proteínas: una proteína que contiene fierro (proteína-Fe) y otra que contiene molibdeno y fierro (proteína Mo-Fe). La nitrogenasa que contiene molibdeno Mo es la más ampliamente distribuida.

Las bacterias fijadoras de nitrógeno o diazótrofas, ocupan un nicho ecológico indispensable ya que suplen de nitrógeno fijado al ciclo global del nitrógeno. Gracias a este papel los diazótrofos están presentes en virtualmente todos los ecosistemas, con representantes en ambientes tan variados como la superficie de los océanos (Tricodesmiun), los nódulos de las raíces de las plantas (Rhizobium), y en suelos aeróbicos como es el caso de Azotobacter.

En cualquier ecosistema los diazótrofos responden a condiciones variadas del ambiente para regular el muy caro proceso de fijación de nitrógeno. Todos los diazótrofos regulan la nitrogenasa a nivel transcripcional. Algunos también poseen sistemas rápidos de regulación postranscripcional.

La fijación de nitrógeno ó reducción de N2 a NH4 requiere 8 electrones, por lo tanto se requiere un mínimo de 16 ATP para reducir una molécula de N2 atmosférico. Además la reducción de N2 está siempre acoplada a la reducción de H+ a H2. Bajo condiciones fisiológicas normales el requerimiento de ATP es de 20 a 30 moléculas de MgATP, en consecuencia la fijación de nitrógeno puede consumir una fracción significativa de la poza celular de ATP. El ATP utilizado en la fijación de nitrógeno lo provee la respiración aeróbica. Por lo tanto la fijación de nitrógeno aeróbica requiere una concentración de O2 mínima.

La nitrogenasa un complejo enzimático sensible al oxígeno

La nitrogenasa purificada es inactivada rápida e irreversiblemente por el O2 (15). La proteína Fe es mucho más sensible que la proteína MoFe con una vida media en presencia de aire de 45 segundos y 10 minutos respectivamente (55). El efecto de O2 sobre la nitrogenasa restringe la fijación de N2 en la mayoría de las especies de eubacterias a condiciones anaeróbicas o de microaerobiosis.

La fijación de nitrógeno en bacterias aeróbicas como Azotobacter es un proceso que demanda gran cantidad de energía, por lo que requiere una eficiente fosforilación oxidativa. Debido a que el O2 es tóxico para el complejo de la nitrogenasa, las bacterias aeróbicas fijadoras de nitrógeno han evolucionado una variedad de estrategias para contender con esta paradoja aparente.

A. vinelandii fija nitrógeno en aerobiosis

A. vinelandii era hasta hace poco la única bacteria reconocida capaz de fijar nitrógeno en condiciones de total aerobiosis (45), recientemente se describió otro sistema de fijación de nitrógeno tolerante a O2 en Streptomyces thermoaututrophicus (54). Azotobacter fija nitrógeno en aerobiosis gracias a que posee un sistema bien integrado de protección de su nitrogenasa que comprende: protección conformacional, protección respiratoria, autoprotección y otros cambios morfológicos y fisiológicos que le permiten crecer diazotróficamente en condiciones totalmente aeróbicas (26).

Protección conformacional. En A. vinelandii un aumento pasajero del O2 provoca un mecanismo de inactivación (switching-off) de la nitrogenasa, que consiste en la formación de un complejo de nitrogenasa inactivado pero protegido, conocido como protección conformacional. Este complejo es formado por la unión no covalente de una proteína que contiene Fe-S (conocida como FeSII o Shetna) a las proteínas Fe y MoFe (33, 34)

Protección respiratoria. Cuando las células se adaptan al ambiente de mayor concentración de O2, se expresa la citocromo oxidasa cytbd, parcialmente desacoplada con baja afinidad por O2, la cual probablementa actúa junto con una NADH deshidrogenasa desacoplada. El flujo de electrones a través de esta cadena desacoplada permite tasas de respiración altas y un rápido consumo del O2 intracelular sin agotar

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