Pigmentos que pueden más
Un nuevo descubrimiento arroja luz sobre el uso bacteriano de la biomasa con potencial para biocombustibles y nuevos antibióticos
La elucidación de la estructura y el origen de la llamada "sustancia de afinidad amarilla" (YAS) aporta nuevos conocimientos sobre la degradación de la celulosa por la bacteria Clostridium thermocellum (nuevo nombre: Acetivibrio thermocellus). Se supone que el pigmento amarillo desempeña un papel decisivo en la conversión de la biomasa vegetal en azúcar utilizable, lo que abre nuevas perspectivas para la producción de biocombustibles. El estudio también abre nuevos enfoques en la investigación de los antibióticos.
La comparación de dos cultivos de Clostridium thermocellum con papel de filtro como fuente de celulosa muestra la influencia del pigmento YAS en la degradación de la celulosa por la bacteria. Mientras que el papel de la izquierda se degrada completamente en el suero, parte del papel de la derecha permanece prácticamente intacto sin contacto con YAS.
© Jana Krabbe, Leibniz-HKI
Las bacterias anaerobias fueron una de las primeras formas de vida en la Tierra y existieron en una época en la que no había oxígeno en la atmósfera. Mientras que muchos organismos dependen de un entorno rico en oxígeno para sobrevivir, los anaerobios prosperan en lugares donde otros no pueden: en hábitats completamente libres de oxígeno, como el intestino humano o el fondo oceánico. Las enzimas de estas bacterias son incluso sensibles al oxígeno. Su extraordinaria capacidad de adaptación atrae cada vez más la atención de los investigadores.
Las bacterias anaerobias suelen producir sustancias inusuales. Esto las hace especialmente interesantes para la investigación y la biotecnología, por ejemplo para la producción de antibióticos o biocombustibles. También son indispensables en el ciclo natural de los nutrientes, ya que descomponen la materia orgánica, como la celulosa, y devuelven los nutrientes al ecosistema.
Una sustancia señal con un papel clave
Clostridium thermocellum es uno de los microbios anaerobios más conocidos en lo que respecta a la degradación de la celulosa, el principal componente de las paredes celulares de las plantas. Convierte la celulosa en azúcar, que puede utilizarse para producir biocombustibles como el etanol. Un llamativo pigmento amarillo producido por la bacteria (YAS - Yellow Affinity Substance) desempeña un papel clave en este proceso. La YAS se adhiere preferentemente a las fibras de celulosa. Se supone que YAS ayuda a dirigir las enzimas de degradación con precisión hacia donde está presente la celulosa.
Análisis estructural de pigmentos bacterianos
Investigadores del Instituto Leibniz de Investigación de Productos Naturales y Biología de las Infecciones - Instituto Hans Knöll (Leibniz-HKI) y del Instituto Max Planck de Ecología Química de Jena han logrado dilucidar por primera vez la composición molecular del YAS. Los científicos descubrieron que el YAS está formado por varios componentes, los llamados celuxantenos, y determinaron sus estructuras moleculares mediante análisis espectroscópicos (RMN, EM) y experimentos de etiquetado isotópico. Además, identificaron el grupo de genes biosintéticos responsables mediante manipulación genética selectiva.
¿Un pigmento con potencial médico?
Sorprendentemente, los pigmentos muestran un efecto contra determinados microorganismos. Los celuxantenos tienen una leve actividad antibiótica contra bacterias Gram-positivas, incluidos patógenos resistentes de importancia clínica. La comprensión de la base genética de la biosíntesis también abre la posibilidad de producir o modificar los celuxantenos en el futuro. Los primeros autores, Keishi Ishida y Jana Krabbe, ven resultados prometedores: "Aunque los pigmentos amarillos se conocen desde hace casi un siglo, su estructura ha sido un misterio hasta ahora. Ahora podemos empezar a investigar sus posibles funciones ecológicas, incluida la actividad antibacteriana para defender la fuente de alimento (celulosa) frente a sus competidores."
Un paso hacia un futuro sostenible
El descubrimiento y caracterización de los celuxantenos tiende un puente entre nuestra comprensión del metabolismo microbiano y las aplicaciones prácticas en el sector energético, y quizá en la futura investigación médica. Los hallazgos también podrían ayudar a optimizar el uso de la biomasa vegetal.
La investigación forma parte del proyecto "AnoxyGen", por el que Christian Hertweck recibió una de las prestigiosas subvenciones ERC Advanced Grants del Consejo Europeo de Investigación. Hertweck es jefe de departamento del Leibniz-HKI y profesor de la Universidad Friedrich Schiller de Jena. "El objetivo de AnoxyGen es descubrir el potencial oculto de las bacterias anaerobias para producir nuevos productos naturales bioactivos", explica Hertweck. "Muchos de estos microorganismos llevan en su genoma genes para la producción de compuestos valiosos, pero suelen permanecer inactivos en condiciones estándar de laboratorio". El equipo está desarrollando nuevos métodos de biología molecular para activar estas vías biosintéticas ocultas, métodos que antes existían principalmente para microbios aerobios (dependientes del oxígeno). El objetivo es descubrir y aprovechar sustancias naturales desconocidas hasta ahora con valor médico o biotecnológico. AnoxyGen combina la biología sintética moderna con el descubrimiento de sustancias activas y podría abrir nuevas posibilidades para el desarrollo farmacéutico.
El proyecto AnoxyGen también contribuye a la Agrupación de Excelencia "Equilibrio del Microverso", que investiga los complejos mecanismos de señalización y comunicación dentro de las comunidades microbianas que rigen la vida en la Tierra.
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Publicación original
Keishi Ishida, Jana Krabbe, Philippe R. Meisinger, Gulimila Shabuer, Sebastian Schieferdecker, Michael Cyrulies, Cedric Tank, Emma Barnes, Christian Paetz, Christian Hertweck; "Discovery and Biosynthesis of Celluxanthenes, Antibacterial Arylpolyene Alkaloids From Diverse Cellulose‐Degrading Anaerobic Bacteria"; Angewandte Chemie International Edition, Volume 64, 2025-4-14
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