Gran avance en la investigación sobre el metano: descifrado el mecanismo de activación de una enzima productora de metano
una publicación de "Nature" revela el vínculo evolutivo entre dos procesos biológicos fundamentales
Investigadores del Centro de Microbiología Sintética (SYNMIKRO) de la Universidad Philipps de Marburgo y de la Universidad Técnica de Berlín han logrado un importante avance en la comprensión de la activación de la metil-coenzima M reductasa (MCR), la enzima responsable de casi toda la producción biológica de metano y una de las más abundantes de la Tierra. Sus resultados se publican ahora en "Nature" y no sólo arrojan nueva luz sobre uno de los procesos más antiguos de producción de energía en la naturaleza, sino que también revelan un vínculo evolutivo inesperado con la llamada fijación del nitrógeno.
En este primer paso del ciclo global del nitrógeno, los microorganismos absorben el nitrógeno del aire y lo convierten para que los organismos vivos puedan utilizarlo. "La investigación básica en el campo de la energía biológica y la conversión de materiales encierra un potencial considerable para hacer frente a retos actuales como las necesidades energéticas cada vez mayores de la humanidad y el avance del cambio climático", explica el Dr. Christian Lorent, coautor de la publicación en "Nature" e investigador asociado del Cluster of Excellence Unifying Systems in Catalysis (UniSysCat), con sede en la Universidad Técnica de Berlín.
Las dos caras del gas de efecto invernadero
Las arqueas metanogénicas son microorganismos que existen desde hace miles de millones de años y producen hasta mil millones de toneladas de metano al año, por ejemplo en los estómagos de los rumiantes o en los humedales. Aunque el metano es un potente gas de efecto invernadero que contribuye al calentamiento global, la producción biológica de metano también alberga un gran potencial como fuente de energía renovable a través de la producción de biogás en la agricultura. Un conocimiento más profundo de los mecanismos básicos de la formación de metano puede propiciar avances en las tecnologías energéticas sostenibles y la protección del clima.
Una de las reacciones redox más difíciles
En el corazón de la producción biológica de metano se encuentra la MCR, una enzima altamente especializada cuyo centro activo contiene la coenzima única F430. La función de este cofactor depende fundamentalmente de un ion de níquel central, que debe encontrarse en el estado de oxidación Ni(1+) para catalizar la producción de metano. Sin embargo, la activación del níquel a este estado requiere superar un obstáculo energético considerable, una de las reacciones redox más difíciles de la naturaleza. Durante mucho tiempo no se supo cómo las formas de vida primitivas conseguían esta activación.
En su estudio, el equipo de investigadores consiguió aislar y caracterizar el complejo de activación MCR del organismo modelo Methanococcus maripaludis. "Descubrimos que una pequeña proteína llamada McrC, junto con otras proteínas marcadoras metanogénicas, activa el MCR en un proceso dependiente del ATP y proporciona así la energía necesaria para la producción de metano", explica Fidel Ramírez-Amador, de la Universidad Philipps de Marburgo, uno de los autores principales del estudio.
Los análisis espectroscópicos aportaron la prueba que faltaba
Sorprendentemente, los investigadores pudieron demostrar que el mecanismo de activación requiere tres complejos metálicos de estructura única y altamente especializados que hasta ahora sólo se conocían en la nitrogenasa, la única enzima capaz de convertir el nitrógeno atmosférico en formas biológicamente disponibles. "Las investigaciones espectroscópicas aportaron la prueba que faltaba de que estos cofactores consisten en hierro y azufre y probablemente son cruciales para la transferencia de electrones", explica el Dr. Christian Lorent. El Dr. Jan Schuller de la Universidad Philipps de Marburgo, autor principal del estudio, añade: "Esta sorprendente similitud sugiere que estos sistemas tienen un origen evolutivo común a pesar de tener funciones completamente diferentes. Nuestro estudio establece un vínculo evolutivo sin precedentes entre dos procesos biológicos fundamentales: la metanogénesis y la fijación del nitrógeno."
"Las soluciones más elegantes para la producción de energía y los catalizadores más eficientes se han optimizado evolutivamente en la naturaleza a lo largo de millones de años. Nuestro trabajo como científicos es encontrarlas, comprenderlas y aplicarlas", resume el Dr. Christian Lorent. En el Cluster de Excelencia UniSysCat, investiga los mecanismos de reacción y acoplamiento de diversas metaloenzimas, que también pueden producir hidrógeno o ligar el dióxido de carbono, gas de efecto invernadero, por ejemplo.
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Publicación original
Fidel Ramírez-Amador, Sophia Paul, Anuj Kumar, Christian Lorent, Sebastian Keller, Stefan Bohn, Thinh Nguyen, Stefano Lometto, Dennis Vlegels, Jörg Kahnt, Darja Deobald, Frank Abendroth, Olalla Vázquez, Georg Hochberg, Silvan Scheller, Sven T. Stripp, Jan Michael Schuller; "Structure of the ATP-driven methyl-coenzyme M reductase activation complex"; Nature, 2025-4-16
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