La planta de energía celular recicla los gases de desecho
La idea es usar el poder de las bacterias para convertir los gases tóxicos de desecho en compuestos valiosos como el acetato o el etanol
El monóxido de carbono es un gas muy venenoso. Los humanos mueren en minutos cuando lo inhalan. Sin embargo, algunos microorganismos toleran el monóxido de carbono e incluso lo usan para respirar y reproducirse. El conocimiento sobre cómo sobreviven estas bacterias abre una ventana a los tiempos primitivos de la tierra y al origen de la vida. Al mismo tiempo, podrían ser muy útiles para el futuro, ya que pueden utilizarse para limpiar los gases de desecho y producir biocombustibles. En este contexto, los científicos del Instituto Max Planck de Microbiología Marina en Bremen han hecho un sorprendente descubrimiento.
Cristales de CODH/ACS obtenidos sin oxígeno. El color marrón proviene de los metales naturales que albergan las proteínas.
© Max Planck Institute for Marine Microbiology/T. Wagner
Los gases de desecho de muchas ramas de la industria - por ejemplo en las acerías - contienen principalmente monóxido de carbono y dióxido de carbono. Hoy en día, estos gases nocivos y de efecto invernadero son simplemente soplados a nuestra atmósfera, pero esto puede cambiar pronto. La idea es utilizar el poder de las bacterias para convertir los gases de desecho tóxicos en compuestos valiosos como el acetato o el etanol. Estos pueden ser usados después como biocombustibles o compuestos básicos para materiales sintéticos. Ya se están evaluando las primeras plantas de prueba de tamaño real, que utilizan esta conversión a escala industrial, y las estrellas de este proceso son las bacterias que devoran el monóxido de carbono, el dióxido de carbono y el dihidrógeno, entre las que el Clostridium autoethanogenum es, con mucho, la favorita.
"En este microbio se han caracterizado las líneas principales del metabolismo utilizado para operar la conversión de gas", dice Tristan Wagner, líder del grupo Metabolismo Microbiano del Instituto Max Planck de Microbiología Marina. "Pero todavía hay muchos interrogantes a nivel molecular". El que está en el punto de mira de los científicos de Bremen: ¿Cómo es el monóxido de carbono tóxico procesado por las enzimas con una eficiencia tan impresionante?
Gran sorpresa en un cristal
El conocimiento a nivel molecular de la conversión del monóxido de carbono se deriva de los estudios realizados en la especie Moorella thermoacetica. Este es un organismo modelo marino conveniente y bien estudiado, pero exhibe una pobre capacidad para desintoxicar los gases de desecho, a diferencia del Clostridium autoethanogenum. Ambas bacterias utilizan la misma enzima para convertir el monóxido de carbono: la CO-deshidrogenasa/Acetil-CoA sintasa, abreviada como CODH/ACS. Es una enzima muy común que ya existía en los tiempos primitivos de la tierra. "Dado que ambas especies utilizan la misma enzima para convertir el monóxido de carbono, esperábamos ver exactamente la misma estructura con diferencias eventualmente menores", dice Wagner.
Para su investigación, Wagner y su colega Olivier N. Lemaire están estudiando la bacteria Clostridium autoethanogenum para entender cómo puede prosperar en la termodinámica de la vida, utilizando un metabolismo similar al de las primeras formas de vida. Olivier N. Lemaire cultivó la bacteria y purificó su CODH/ACS en ausencia de oxígeno, lo que es perjudicial para la enzima. Los dos científicos utilizaron el método de cristalización para obtener cristales de la enzima CODH/ACS y determinar la estructura tridimensional de la proteína mediante cristalografía de rayos X. "Cuando vimos los resultados, no podíamos creer lo que veían nuestros ojos", dice Wagner. "La interfaz CODH-ACS de Clostridium autoethanogenum difiere drásticamente del modelo de la Moorella thermoacetica, a pesar de que se trataba de la misma enzima y de bacterias similares".
Mismos ingredientes, diferente arquitectura
Después, los dos investigadores llevaron a cabo más experimentos para probar que la primera estructura no era un artefacto sino la realidad biológica. Los siguientes experimentos confirmaron el modelo inicial. Así, el descubrimiento demuestra claramente que es errónea la suposición anterior de que la enzima CODH/ACS siempre tiene la misma estructura global. "La enzima de Moorella thermoacetica tiene una forma lineal", explica Olivier N. Lemaire, primer autor del estudio, que fue recientemente publicado en la revista científica BBA Bioenergetics. "En la Moorella thermoacetica, la enzima produce monóxido de carbono en el CODH y lo utiliza en el ACS. Entre ellos, es atrapado y canalizado a través de un canal de gas sellado. La ACS finalmente sintetizará acetil-CoA, un bloque de construcción que se procesa más adelante en acetato y etanol. El resto de la célula no ve ningún monóxido de carbono".
Pero el Clostridium autoethanogenum absorbe el monóxido de carbono directamente. "En el Clostridium autoethanogenum la enzima CODH/ACS no sólo tiene una abertura, sino varias. De esta manera puede recoger tanto monóxido de carbono como sea posible y conducirlo a todo un sistema de túneles, operando en ambas direcciones", dice Lemaire. "Estos resultados muestran un reajuste de los túneles de gas internos durante la evolución de estas bacterias, lo que supuestamente conduce a un complejo bidireccional que asegura un alto flujo de conversión de monóxido de carbono hacia la conservación de la energía y la asimilación del monóxido de carbono, actuando como la principal planta de energía celular". Al final del proceso también se generan acetato y etanol, que pueden utilizarse para producir combustibles.
"Ahora tenemos una imagen de cómo es esta enzima muy eficiente y robusta", dice Tristan Wagner. "Pero nuestro descubrimiento es sólo un paso más. Entre otras cosas, sigue siendo una cuestión abierta cómo la bacteria puede sobrevivir y utilizar el monóxido de carbono para alimentar todas sus necesidades de energía celular. Tenemos algunas hipótesis, pero todavía estamos en el principio. Para entender todo el proceso químico de conversión del monóxido de carbono en acetato y etanol, es necesario estudiar más proteínas".
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