Un equipo dirigido por la bioscientista de la Universidad de Rice, Caroline Ajo-Franklin, ha descubierto cómo ciertas bacterias respiran al generar electricidad, utilizando un proceso natural que empuja los electrones a su entorno en lugar de respirar oxígeno. Los hallazgos, publicados en Celúla El mes pasado, podría permitir nuevos desarrollos en energía limpia y biotecnología industrial.
Al identificar cómo estas bacterias expulsan a los electrones externamente, los investigadores ofrecen una idea de una estrategia previamente oculta de vida bacteriana. Este trabajo, que fusiona la biología con la electroquímica, establece las bases para futuras tecnologías que aprovechan las capacidades únicas de estos organismos microscópicos.
«Nuestra investigación no solo resuelve un misterio científico de larga data, sino que también apunta a una nueva estrategia de supervivencia en la naturaleza», dijo Ajo-Franklin, profesor de Biosciencias, Director del Instituto de Biología Síntesis de Rice y un Instituto de Prevención e Investigación del Cáncer de Texas (CPRIT) Scholar.
La respiración eléctrica explicó
La mayoría de los organismos modernos dependen del oxígeno para metabolizar los alimentos y liberar energía. El oxígeno sirve como el aceptador final de electrones en una cadena de reacciones que produce energía. Pero las bacterias, mucho más antiguas que los organismos modernos como los humanos y las plantas, han desarrollado otras formas de respirar en entornos privados de oxígeno, incluidos los respiraderos de aguas profundas y el intestino humano.
Los investigadores encontraron que algunas bacterias usan compuestos naturales llamados naftoquinonas para transferir electrones a superficies externas. Este proceso, conocido como respiración extracelular, imita cómo las baterías descargan la corriente eléctrica, lo que permite que las bacterias prosperen sin oxígeno.
Los científicos han observado durante mucho tiempo este modo inusual de respiración y lo aprovecharon en biotecnología como una caja negra. Ahora, un equipo liderado por el arroz ha descubierto su mecanismo: un avance que sugiere que la respiración extracelular puede ser mucho más común en la naturaleza de lo que se creía anteriormente.
«Este mecanismo de respiración recientemente descubierto es una forma simple e ingeniosa de hacer el trabajo», dijo Biki Bapi Kundu, estudiante de doctorado de arroz y primer autor del estudio. «Las naftoquinonas actúan como correos moleculares, llevando electrones fuera de la célula para que las bacterias puedan descomponer los alimentos y generar energía».
Simulando la vida sin aire
Los investigadores de arroz se asociaron con el Laboratorio Palsson en la Universidad de California en San Diego para probar sus hallazgos. Utilizando el modelado de computadora avanzado, simularon el crecimiento bacteriano en entornos desprovistos de oxígeno pero ricos en superficies conductoras.
Las simulaciones revelaron que las bacterias podrían sostenerse descargando electrones externamente. Otras pruebas de laboratorio confirmaron que las bacterias colocadas en materiales conductores continuaron creciendo y generando electricidad, respirando efectivamente a través de la superficie.
Este enfoque interdisciplinario profundizó la comprensión de la versatilidad del metabolismo bacteriano y reveló un método en tiempo real para monitorear e influir electrónicamente en el comportamiento bacteriano.
Aplicaciones en tecnología limpia y más allá
Este descubrimiento fundamental tiene implicaciones prácticas de largo alcance. Los procesos biotecnológicos, como el tratamiento de aguas residuales y la biomanufactura, podrían mejorarse significativamente a través de un mejor manejo de los desequilibrios de electrones. Las bacterias que exhalan electricidad podrían arreglar estos desequilibrios para mantener los sistemas funcionando de manera eficiente.
«Nuestro trabajo sienta las bases para aprovechar el dióxido de carbono a través de la electricidad renovable, donde las bacterias funcionan de manera similar a las plantas con luz solar en la fotosíntesis», dijo Ajo-Franklin. «Abre la puerta para construir tecnologías más inteligentes y más sostenibles con biología en el centro».
La tecnología también puede permitir sensores bioelectrónicos en entornos privados de oxígeno, ofreciendo nuevas herramientas para diagnósticos médicos, monitoreo de la contaminación y exploración en el espacio profundo.
Los coautores de este estudio incluyen a Jayanth Krishnan, Richard Szubin, Arjun Patel, Bernhard Palsson y Daniel Zielinski de UC San Diego. CPRIT y la Fundación Novo Nordisk financiaron el estudio.
