Gusto por el dióxido de carbono
La notable afinidad de la enzima microbiana hierro nitrogenasa por el gas de efecto invernadero CO2 la hace útil para futuras biotecnologías
Las nitrogenasas se encuentran entre las enzimas geoquímicamente más importantes de la Tierra, ya que proporcionan a todas las formas de vida nitrógeno biodisponible en forma de amoníaco (NH3). Algunas nitrogenasas también pueden convertir directamenteel CO2 en cadenas de hidrocarburos, lo que las convierte en un interesante objetivo para el desarrollo de procesos biotecnológicos. Un equipo de investigadores de Marburgo (Alemania), dirigido por el científico del Max Planck Johannes Rebelein, ha proporcionado ahora una visión completa de la especificidad y las preferencias de sustrato de la nitrogenasa. Sus resultados cuestionan los conocimientos actuales sobre las nitrogenasas y ponen de relieve su potencial para la bioproducción sostenible.
Un cultivo líquido de Rhodobacter capsulatus. Esta bacteria modelo vive fototróficamente, es decir, obtiene su energía mediante la fotosíntesis. Investigadores dirigidos por Johannes Rebelein, científico del Max Planck, descubrieron que la enzima hierro (Fe)-nitrogenasa de R. capsulatus reduce el CO2 a formiato y metano incluso en condiciones fisiológicas, y que esta conversión es potencialmente de gran valor para una bioeconomía sostenible: la realización de tales procesos en organismos fotótrofos podría permitir una conversión impulsada por la luz del dióxido de carbono en sustancias químicas útiles.
© Max-Planck-Institut for Terrestrial Microbiology/Geisel
El nitrógeno es uno de los principales componentes de nuestras células. Sin embargo, la mayor parte del nitrógeno de la Tierra se presenta en forma de N2 gaseosoy es químicamente inutilizable por las células. Sólo una familia de enzimas es capaz de convertir el N2 en la forma biodisponible de amoníaco (NH3): las nitrogenasas.
Investigadores dirigidos por Johannes Rebelein, del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre de Marburgo, han descubierto recientemente que algunas nitrogenasas también pueden tratar otro sustrato importante: Reducen el gas de efecto invernaderoCO2 a hidrocarburos (metano, etileno, etano) y ácido fórmico. Todas estas productas son fuentes potenciales de energía y productos químicos de importancia industrial. Con vistas a una bioproducción sostenible y neutra en carbono, el equipo quería saber: ¿Hasta qué punto pueden las enzimas discriminar entreCO2 y N2? ¿Y los microorganismos que crecen con N2 también reducen elCO2 en condiciones fisiológicas normales?
Dos isoenzimas
Para responder a estas preguntas, los investigadores se centraron en la bacteria fotosintética Rhodobacter capsulatus, que alberga dos isoenzimas: la nitrogenasa de molibdeno (Mo) y la nitrogenasa de hierro (Fe), que la bacteria necesita como reserva en caso de deficiencia de molibdeno. Los investigadores aislaron ambas nitrogenasas y compararon su reducción deCO2 mediante pruebas bioquímicas. Descubrieron que la nitrogenasa de Fe reduce elCO2 tres veces más eficazmente que su homóloga que contiene molibdeno y produce ácido fórmico y metano a concentraciones atmosféricasde CO2.
Cuando a ambas enzimas se les ofrecióCO2 y N2 al mismo tiempo, se puso de manifiesto otra diferencia importante: mientras que la Mo-nitrogenasa reduce selectivamente el N2, la Fe-nitrogenasa tiende a elegirel CO2 como sustrato. "Normalmente, una mayor velocidad de reacción en las enzimas se produce a expensas de la precisión. Curiosamente, la Mo-nitrogenasa es a la vez más rápida y más selectiva, lo que demuestra su ventaja en la reducción de N2. La menor especificidad de la Fe-nitrogenasa y su preferencia por elCO2 la convierten en un prometedor punto de partida para el desarrollo de nuevas reductasas deCO2 ", afirma Frederik Schmidt, estudiante de doctorado en el laboratorio de Johannes Rebelein y coautor del estudio.
¿Reducción deCO2 muy extendida en la naturaleza?
La baja selectividad no fue la única sorpresa. "Analizamos qué fracción de electrones acababa en qué producto y descubrimos que las bacterias segregaban metano y altas concentraciones de ácido fórmico derivados de la conversión deCO2 por Fe nitrogenasa incluso cuando no se añadíaCO2 adicional al cultivo: elCO2 derivado metabólicamente era suficiente para impulsar este proceso. Este hallazgo sugiere que la reducción deCO2 catalizada por la Fe nitrogenasa puede estar muy extendida en la naturaleza", afirma Niels Oehlmann, coautor del estudio. Esto significa también que es probable que la disponibilidad y el intercambio de sustratos de un solo carbono influyan en las comunidades microbianas de distintos entornos".
El trabajo cuestiona la visión tradicional de las nitrogenasas como verdaderas enzimas convertidoras de nitrógeno. Las bacterias fotosintéticas como R. capsulatus, que utilizan la energía luminosa para estimular a las nitrogenasas a convertir el gas de efecto invernaderoCO2, podrían desempeñar un papel clave no sólo en su impacto medioambiental, sino también en el cambio social hacia una economía circular sostenible, afirma Johannes Rebelein. "La idea es que podamos almacenar la energía de la luz solar captada por el aparato fotosintético del microorganismo en los hidrocarburos producidos por la nitrogenasa. En el futuro, queremos seguir desarrollando la nitrogenasa de hierro para utilizarla en lafijación y utilizacióndel CO2 ".
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.
Publicación original
"The Iron Nitrogenase Reduces Carbon Dioxide to Formate and Methane under Physiological Conditions: A Route to Feedstock Chemicals"; Science Advances 2024
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