24.11.2022 - Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie

Romper el nitrógeno mientras se genera metano

Un microbio "caliente" que puede crecer con nitrógeno y producir metano

Científicos del Instituto Max Planck de Microbiología Marina han conseguido mejorar el cultivo de un microorganismo capaz de fijar el nitrógeno (N2) al tiempo que produce metano (CH4) y amoníaco (NH3) y han investigado detalles apasionantes de su metabolismo.

El carbono y el nitrógeno son elementos esenciales para la vida. Algunos organismos ocupan posiciones clave para el ciclo de ambos, entre ellos Methanothermococcus thermolithotrophicus. Detrás de su complicado nombre se esconde un complicado microbio. M. thermolithotrophicus es un metanógeno marino amante del calor. Vive en los sedimentos oceánicos, desde las costas arenosas y las marismas saladas hasta las profundidades marinas, preferentemente a temperaturas cercanas a los 65 °C. Es capaz de convertir el nitrógeno (N2) y el dióxido de carbono (CO2) en amoníaco (NH3) y metano (CH4) utilizando hidrógeno (H2). Ambos productos, amoníaco y metano, son muy interesantes para aplicaciones biotecnológicas en la producción de fertilizantes y biocombustibles.

Tristan Wagner y Nevena Maslać, del Instituto Max Planck de Microbiología Marina, han conseguido ahora cultivar este microbio en un fermentador, lo que supone todo un reto. "Es muy complicado proporcionar las condiciones perfectas para que este microbio prospere mientras fija el N2: altas temperaturas, sin oxígeno y vigilando los niveles de hidrógeno y dióxido de carbono", dice Maslać, que llevó a cabo la investigación como parte de su proyecto de doctorado. "Pero con algo de ingenio y perseverancia, conseguimos que prosperaran en nuestro laboratorio y alcanzaran las mayores densidades celulares registradas hasta ahora". Una vez que los cultivos estuvieron en marcha, los científicos pudieron investigar la fisiología del microbio en detalle, y más tarde profundizar en su estudio observando cómo se adapta el metabolismo del microbio a la fijación de N2. "En estrecha colaboración con nuestros colegas Chandni Sidhu y Hanno Teeling, combinamos pruebas fisiológicas y transcriptómica diferencial, lo que nos permitió profundizar en el metabolismo de M. thermolithotrophicus", explica Maslać.

Tan improbable como un abejorro

Las capacidades metabólicas de M . thermolithotrophicus son desconcertantes: Estos microbios utilizan la metanogénesis, un metabolismo que se originó en la Tierra anóxica primitiva, para adquirir su energía celular. En comparación con los humanos, que utilizan el oxígeno para transformar la glucosa en dióxido de carbono, los metanógenos sólo obtienen una cantidad muy limitada de energía de la metanogénesis. Paradójicamente, la fijación del nitrógeno requiere cantidades gigantescas de energía, lo que los agotaría. "Son un poco como los abejorros, que teóricamente son demasiado pesados para volar pero que, sin embargo, lo hacen", dice el autor principal, Tristan Wagner, jefe de grupo del Grupo de Investigación Max Planck Metabolismo Microbiano. "A pesar de esa limitación energética, se ha descubierto que estos fascinantes microbios son incluso los principales fijadores de nitrógeno en algunos entornos".

Una nitrogenasa robusta

La enzima que los organismos utilizan para fijar el nitrógeno se llama nitrogenasa. La mayoría de las nitrogenasas comunes requieren molibdeno para realizar la reacción. La nitrogenasa de molibdeno está bien estudiada en las bacterias que viven como simbiontes en las raíces de las plantas. Su nitrogenasa puede ser inhibida por el tungstato. Sorprendentemente, los científicos de Bremen descubrieron que M. thermolithotrophicus no se ve alterado por el tungstato mientras crece en N2. "Nuestro microbio sólo dependía del molibdeno para fijar el N2 y no le molestaba el tungstato, lo que implica una adaptación de los sistemas de adquisición de metales, haciéndolo aún más robusto para diferentes aplicaciones potenciales", dice Maslać.

Repensar la producción de amoníaco

La fijación de nitrógeno, es decir, la obtención de nitrógeno a partir de N2, es el principal proceso para insertar el nitrógeno en el ciclo biológico. Para la producción industrial de fertilizantes, este proceso se lleva a cabo mediante el proceso Haber-Bosch, que fija artificialmente el nitrógeno para producir amoníaco con hidrógeno a altas temperaturas y presiones. Se utiliza para producir la mayor parte del amoníaco del mundo, un fertilizante esencial para mantener la agricultura mundial. El proceso Haber-Bosch es extremadamente exigente en energía: Consume el 2% de la producción mundial de energía y libera al mismo tiempo hasta el 1,4% de las emisiones mundiales de carbono. Por eso se buscan alternativas más sostenibles para producir amoníaco. "El proceso utilizado por M. thermolithotrophicus demuestra que ahí fuera, en el mundo microbiano, todavía hay soluciones que podrían permitir una producción más eficiente de amoníaco, y que incluso pueden combinarse con la producción de biocombustible a través del metano", dice Wagner. "Con este estudio, entendimos que en condiciones de fijación de N2, el metanógeno sacrifica su producción de proteínas para favorecer la captura de nitrógeno, una estrategia particularmente inteligente de reasignación de energía", resume Wagner. "Nuestro siguiente paso será adentrarnos en los detalles moleculares del proceso y en las enzimas implicadas, así como estudiar otras partes del metabolismo del organismo".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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