Mientras que las bacterias que producen electricidad se han encontrado en ambientes exóticos como las minas y los fondos de los lagos, los científicos han perdido una fuente más cercana a su hogar: el intestino humano.
Los científicos de la Universidad de California en Berkeley descubrieron que una bacteria común causante de la diarrea, Listeria monocytogenes, produce electricidad usando una técnica completamente diferente de las bacterias electrogénicas conocidas, y que cientos de otras especies bacterianas usan este mismo proceso.
Muchas de estas bacterias chispeantes son parte del microbioma intestinal humano, y muchas, como el virus que causa la enfermedad transmitida por los alimentos, la listeriosis, que también puede causar abortos, son patógenas. Las bacterias que causan gangrena (Clostridium perfringens) y las infecciones adquiridas en el hospital (Enterococcus faecalis) y algunas bacterias causantes de estreptococo también causan electricidad. Otras bacterias electrogénicas, como los lactobacilos, son importantes en la fermentación del yogur, y muchos son probióticos.
"El hecho de que tantos insectos que interactúan con los humanos, ya sea como patógenos o en probióticos o en nuestra microbiota o que participan en la fermentación de productos humanos, son electrogénicos, que se habían omitido antes", dijo Dan Portnoy, profesor de UC Berkeley biología molecular y celular y de biología vegetal y microbiana. "Podría decirnos mucho sobre cómo estas bacterias nos infectan o nos ayudan a tener un intestino sano".
El descubrimiento será una buena noticia para quienes actualmente intentan crear baterías vivas a partir de microbios. Tales tecnologías bioenergéticas "verdes" podrían, por ejemplo, generar electricidad a partir de bacterias en plantas de tratamiento de residuos.
La investigación se publicará en línea el 12 de septiembre antes de la publicación impresa del 4 de octubre en la revista Nature.
Las bacterias generan electricidad por la misma razón por la que respiramos oxígeno: para eliminar los electrones producidos durante el metabolismo y para apoyar la producción de energía. Mientras que los animales y las plantas transfieren sus electrones al oxígeno dentro de las mitocondrias de cada célula, las bacterias en ambientes sin oxígeno, incluido nuestro intestino, pero también las cubas de fermentación de alcohol y queso y las minas ácidas, tienen que encontrar otro aceptor de electrones. En ambientes geológicos, que a menudo ha sido un mineral - hierro o manganeso, por ejemplo - fuera de la célula. En cierto sentido, estas bacterias "respiran" hierro o manganeso.
La transferencia de electrones de la célula a un mineral requiere una cascada de reacciones químicas especiales, la llamada cadena de transferencia de electrones extracelular, que transporta los electrones como una pequeña corriente eléctrica. Algunos científicos han aprovechado esa cadena para fabricar una batería: insertar un electrodo en un matraz de estas bacterias y generar electricidad.
El sistema de transferencia de electrones extracelular recientemente descubierto es en realidad más simple que la cadena de transferencia ya conocida, y parece ser utilizado por bacterias solo cuando es necesario, tal vez cuando los niveles de oxígeno son bajos. Hasta ahora, esta cadena de transferencia de electrones más simple se ha encontrado en bacterias con una única pared celular (microbios clasificados como bacterias gram positivas) que viven en un ambiente con mucha flavina, que son derivados de la vitamina B2.
"Parece que la estructura celular de estas bacterias y el nicho ecológico rico en vitaminas que ocupan hace que sea significativamente más fácil y más rentable transferir electrones fuera de la célula", dijo el primer autor Sam Light, un becario postdoctoral. "Por lo tanto, creemos que las bacterias de respiración mineral estudiadas convencionalmente están utilizando la transferencia de electrones extracelular porque es crucial para la supervivencia, mientras que estas bacterias recién identificadas lo están usando porque es "fácil'.
Para ver cuán robusto es este sistema, Light se asoció con Caroline Ajo-Franklin del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, quien explora las interacciones entre microbios vivos y materiales inorgánicos para posibles aplicaciones en la captura y secuestro de carbono y la generación de energía bio-solar.
Ella usó un electrodo para medir la corriente eléctrica que fluye de la bacteria - hasta 500 microamperios - confirmando que es efectivamente electrogénico. De hecho, producen casi tanta electricidad (unos 100.000 electrones por segundo por célula) como bacterias electrogénicas conocidas.
La luz está particularmente intrigada por la presencia de este sistema en Lactobacillus, bacterias cruciales para la producción de queso, yogurt y chucrut. Tal vez, sugiere, el transporte de electrones desempeña un papel en el sabor del queso y el chucrut.
"Esta es una gran parte de la fisiología de las bacterias que las personas no sabían que existía, y que podría ser potencialmente manipulada", dijo.
Light y Portnoy tienen muchas más preguntas sobre cómo y por qué estas bacterias desarrollaron un sistema tan único. Simplicidad: es más fácil transferir electrones a través de una pared celular que a través de dos, y la oportunidad, aprovechando las omnipresentes moléculas de flavina para deshacerse de los electrones, parece haber permitido a estas bacterias encontrar una manera de sobrevivir tanto en oxígeno ambientes ricos y pobres en oxígeno.
Publicación:
Traducción: Cecilia González P.
Publicado: 27 de septiembre de 2018
Fuente: Science Daily
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