Mezclar y combinar: Cómo un metanógeno crea su propia maquinaria de reducción de sulfatos
El descubrimiento abre interesantes oportunidades en la producción de biocombustibles
Científicos del Instituto Max Planck de Microbiología Marina de Bremen (Alemania) han descubierto los secretos moleculares de un microbio generador de metano capaz de transformar el sulfato en sulfuro, un componente celular listo para usar. Este descubrimiento abre interesantes oportunidades en la producción de biocombustibles.
La estudiante de doctorado Marion Jespersen trabaja en un fermentador en el que M. thermolithotrophicus crece exclusivamente con sulfato como fuente de azufre.
Tristan Wagner, Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie
La cascada de reacciones químicas que parte del sulfato (SO42-) hasta el sulfuro (H2S).
Marion Jespersen, Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie
El azufre, componente esencial de la vida
El azufre es un elemento fundamental de la vida y todos los organismos lo necesitan para sintetizar materiales celulares. Los autótrofos, como las plantas y las algas, adquieren el azufre convirtiendo el sulfato en sulfuro, que puede incorporarse a la biomasa. Sin embargo, este proceso requiere mucha energía y produce intermediarios y subproductos nocivos que deben ser transformados inmediatamente. Por ello, antes se creía que los microbios conocidos como metanógenos, que suelen tener poca energía, serían incapaces de convertir el sulfato en sulfuro. Por lo tanto, se suponía que estos microbios, que producen la mitad del metano mundial, dependían de otras formas de azufre, como el sulfuro.
¿Un metanógeno asimilando sulfato?
Este dogma se rompió en 1986 con el descubrimiento del metanógeno Methanothermococcus thermolithotrophicus, que crece con sulfato como única fuente de azufre. ¿Cómo es posible, teniendo en cuenta los costes energéticos y los intermediarios tóxicos? ¿Por qué es el único metanógeno que parece capaz de crecer con esta especie de azufre? ¿Utiliza este organismo trucos químicos o una estrategia aún desconocida para permitir la asimilación del sulfato? Marion Jespersen y Tristan Wagner, del Instituto Max Planck de Microbiología Marina, han encontrado respuestas a estas preguntas y las han publicado en la revista Nature Microbiology.
El primer reto al que se enfrentaron los investigadores fue conseguir que el microbio creciera en la nueva fuente de azufre. "Cuando empecé mi doctorado, tuve que convencer a M. thermolithotrophicus de que comiera sulfato en lugar de sulfuro", explica Marion Jespersen. "Pero tras optimizar el medio, Methanothermococcus se convirtió en un profesional del sulfato, con densidades celulares comparables a las del sulfuro.
"Las cosas se pusieron realmente emocionantes cuando medimos la desaparición del sulfato a medida que el organismo crecía. Fue entonces cuando pudimos demostrar realmente que el metanógeno convierte este sustrato". Esto permitió a los investigadores cultivar con seguridad M. thermolithotrophicus en biorreactores a gran escala, pues ya no dependían del tóxico y explosivo gas sulfhídrico para crecer. "Nos proporcionó biomasa suficiente para estudiar este fascinante organismo", explica Jespersen. Ahora los investigadores estaban listos para profundizar en los detalles de los procesos subyacentes.
La primera disección molecular de la vía de asimilación del sulfato
Para comprender los mecanismos moleculares de la asimilación del sulfato, los científicos analizaron el genoma de M. thermolithotrophicus. Encontraron cinco genes con potencial para codificar enzimas asociadas a la reducción del sulfato. "Conseguimos caracterizar cada una de esas enzimas y, por tanto, exploramos la vía completa. Un verdadero tour de force cuando se piensa en su complejidad", afirma Tristan Wagner, jefe del Grupo de Investigación Max Planck Metabolismo Microbiano.
Al caracterizar las enzimas una por una, los científicos ensamblaron la primera vía de asimilación de sulfato de un metanógeno. Mientras que las dos primeras enzimas de la vía son bien conocidas y se dan en muchos microbios y plantas, las siguientes enzimas eran de un tipo nuevo. "Nos quedamos atónitos al ver que parece como si M. thermolithotrophicus hubiera secuestrado una enzima de un organismo disimilador reductor de sulfato y la hubiera modificado ligeramente para satisfacer sus propias necesidades", afirma Jespersen. Mientras que algunos microbios asimilan el sulfato como componente celular, otros lo utilizan para obtener energía en un proceso disimilatorio, como hacen los humanos al respirar oxígeno. Los microbios que llevan a cabo la reducción disimilatoria del sulfato emplean un conjunto diferente de enzimas para hacerlo. El metanógeno estudiado aquí convirtió una de estas enzimas disimilatorias en una asimilatoria. "Se trata de una estrategia sencilla pero muy eficaz y, muy probablemente, la razón por la que este metanógeno es capaz de crecer con sulfato. Hasta ahora, esta enzima concreta sólo se había encontrado en M. thermolithotrophicus y en ningún otro metanógeno", explica Jespersen.
Sin embargo, M. thermolithotrophicus también necesita hacer frente a dos venenos que se generan durante la asimilación del sulfato. Para eso están hechas las dos últimas enzimas de la vía: La primera, de nuevo similar a una enzima disimilatoria, genera sulfuro a partir de sulfito. La segunda es un nuevo tipo de fosfatasa con una eficacia robusta para hidrolizar el otro veneno, brevemente conocido como PAP.
"Parece que M. thermolithotrophicus recogió información genética de su entorno microbiano que le permitió crecer con sulfato. Mezclando y combinando enzimas asimiladoras y disimiladoras, creó su propia maquinaria funcional de reducción del sulfato", explica Wagner.
Nuevas vías de aplicación biotecnológica
Los metanógenos hidrogenotróficos, como M. thermolithotrophicus, tienen la asombrosa capacidad de convertir dihidrógeno (H2, por ejemplo producido artificialmente a partir de energías renovables) y dióxido de carbono (CO2) en metano (CH4). En otras palabras, pueden convertir el gas de efecto invernadero CO2 en el biocombustible CH4, que puede utilizarse, por ejemplo, para calentar nuestros hogares. Para ello, los metanógenos se cultivan en grandes biorreactores. Un cuello de botella actual en el cultivo de metanógenos es su necesidad del altamente peligroso y explosivo gas sulfuro de hidrógeno como fuente de azufre. Con el descubrimiento de la vía de asimilación del sulfato en M. thermolithotrophicus, es posible modificar genéticamente los metanógenos que ya se utilizan en biotecnología para que utilicen esta vía en su lugar, lo que permitiría una producción de biogás más segura y rentable.
"Una cuestión candente sin resolver es por qué M. thermolithotrophicus asimilaría el sulfato en la naturaleza. Para ello, tendremos que salir al campo y ver si las enzimas necesarias para esta vía también se expresan en el entorno natural del microbio", concluye Wagner.
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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