Los científicos descubren el interruptor de encendido y apagado de las bacterias que respiran electricidad

En las profundidades del lecho marino, unas diminutas bacterias "exhalan" electricidad a través de unos largos y delgados tubos de respiración, y ahora los científicos han descubierto cómo activar y desactivar el aliento eléctrico de estos microbios.

Estas extrañas bacterias se apoyan en dos proteínas, que se agrupan en una única estructura en forma de pelo llamada pilus, según informan los investigadores en un nuevo estudio, publicado el miércoles (1 de septiembre) en la revista Nature. Muchos de estos pilus se encuentran justo debajo de la membrana bacteriana y ayudan a empujar los tubos de respiración fuera de la célula y hacia el entorno circundante, permitiendo así que el microbio respire.

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Este descubrimiento no sólo revela algo inesperado sobre la biología de la bacteria, sino que también podría allanar el camino a nuevas tecnologías, desde potentes baterías alimentadas por microbios hasta nuevos tratamientos médicos para las infecciones bacterianas, dijo a Live Science el autor principal, Nikhil Malvankar, profesor adjunto de biofísica molecular y bioquímica en el Instituto de Ciencias Microbianas de la Universidad de Yale.

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La bacteria pertenece al género Geobacter y se encuentra en todo el mundo, creciendo en las profundidades de los suelos totalmente desprovistos de oxígeno. Los seres humanos dependen del oxígeno para convertir los alimentos en energía utilizable y para absorber los electrones que sobran de este proceso metabólico. Si los electrones sobrantes se acumularan, se volverían rápidamente tóxicos para el cuerpo, dijo Malvankar.

Al igual que los humanos, los microbios Geobacter generan electrones de desecho durante el metabolismo, pero no tienen acceso al oxígeno como nosotros. Así que, para deshacerse de su exceso de electrones, las bacterias se recubren de finos filamentos conductores, llamados nanocables, que pueden transportar los electrones fuera de los microbios y hacia otras bacterias o minerales del entorno, como el óxido de hierro.

Estos finos nanocables son 100.000 veces más pequeños que la anchura de un cabello humano y pueden transportar electrones a través de enormes distancias, entre cientos y miles de veces la longitud del cuerpo del microbio original, según informó anteriormente Live Science.

"Yo no puedo respirar el oxígeno que está como a 100 metros [328 pies] de mí", dijo Malvankar. "Y, de alguna manera, estas bacterias utilizan estos nanocables como un esnórquel que es 100 veces más grande que ellas, para poder seguir respirando a distancias tan largas". Esta impresionante hazaña genera una corriente eléctrica, ya que los electrones fluyen continuamente a través de los largos nanocables.

Pero aunque los científicos descubrieron estos nanocables a principios de la década de 2000, Malvankar y sus colegas no han descubierto hasta hace poco de qué están hechos realmente los tubos de buceo celulares. Al principio, los científicos supusieron que los nanocables eran pili. Esta idea parecía estar respaldada por el hecho de que, si se eliminan los genes necesarios para la construcción de pili de la bacteria Geobacter, los nanocables dejan de aparecer en su superficie, dijo Malvankar.

Pero había un problema: las proteínas Pili no contienen ningún metal, como el hierro, que conduzca la electricidad. Malvankar y su equipo investigaron este enigma en un estudio de 2019, publicado en la revista Cell, durante el cual examinaron la bacteria Geobacter utilizando la criomicrografía electrónica (crio-EM), una técnica que consiste en hacer brillar un haz de electrones a través de una sustancia para tomar una instantánea de las moléculas que la componen.

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"Fue entonces cuando nos dimos cuenta de que no hay pili en la superficie bacteriana en absoluto", dijo Malvankar. "Fue una gran sorpresa". En su lugar, el equipo descubrió que los nanocables estaban hechos de unas proteínas llamadas citocromos, que transfieren fácilmente los electrones a lo largo de su longitud y, por lo tanto, hacen nanocables mucho mejores que los pili. En un estudio de 2020, publicado en la revista Nature Chemical Biology, el equipo informó de que estos nanocables basados en citocromos vienen en múltiples "sabores", que conducen la electricidad con diferentes niveles de eficiencia.

Pero incluso después de que el equipo revelara la composición química de los nanocables, las proteínas pili siguieron apareciendo en sus evaluaciones bioquímicas de la bacteria Geobacter . Si los pili no conducían la electricidad, "la gran pregunta era: ¿qué hacen realmente estos pili? ¿Dónde están? dijo Malvankar.

En su estudio más reciente en Nature, el equipo examinó más de cerca la estructura de estos pili eliminando primero los genes de los nanocables en Geobacter sulfurreducens cultivados en laboratorio. Los pili suelen estar bloqueados por los nanocables, así que sin esas estructuras, las proyecciones en forma de pelo brotaron de la superficie de las células. Esto dio al equipo la oportunidad de examinar los pili con crio-EM, que reveló las dos proteínas distintas - PilA-N y PilA-C - dentro de cada pelo.

El equipo también realizó pruebas para ver cómo conducían la electricidad los pili, y descubrió que "mueven los electrones 20.000 veces más despacio que OmcZ", la proteína del citocromo que forma los nanocables de Geobacter más conductores, dijo Malvankar; "simplemente no están hechos para mover electrones".

Sin embargo, el equipo observó que los pili parecían tener una función diferente. En otras especies bacterianas, algunos pili se sitúan debajo de la membrana celular y se mueven como pequeños pistones; este movimiento les permite empujar las proteínas a través de la membrana, y hacia arriba y fuera de la célula. Por ejemplo, la bacteria Vibrio cholerae, causante de la enfermedad diarreica del cólera, utiliza estos pili para secretar la toxina del cólera, según un informe de 2010 publicado en la revista Nature Structural & Molecular Biology. En una serie de experimentos, el equipo determinó que los pili de Geobacter cumplen una función similar, ya que ayudan a empujar los nanocables a través de la membrana microbiana.

"Descubrimos que los citocromos se quedan atascados en el interior de la bacteria cuando no está la proteína del pistón", dijo Malvankar. "Y cuando volvemos a poner el gen, los citocromos son capaces de salir de la bacteria". El equipo concluyó que éste era el interruptor de encendido y apagado de la bacteria.

De cara al futuro, los investigadores planean investigar cómo otros tipos de bacterias construyen nanocables y los utilizan para respirar electricidad. También están interesados en explorar las aplicaciones prácticas de la investigación.

Los investigadores llevan más de una década utilizando colonias de Geobacter para alimentar pequeños aparatos electrónicos, pero hasta ahora estas baterías bacterianas sólo pueden producir cantidades mínimas de energía, según informó anteriormente Live Science. En investigaciones anteriores, Malvankar y su equipo descubrieron que las colonias pueden hacerse más conductoras bajo la influencia de un campo eléctrico, lo que podría ayudar a aumentar la potencia de estos dispositivos; ahora, la nueva investigación podría proporcionar a los científicos otro grado de control, al permitirles activar o desactivar la electricidad.

Esta investigación también podría tener aplicaciones en medicina y, en particular, en los tratamientos de las infecciones bacterianas, dijo Malvankar. Por ejemplo, la Salmonella consigue superar a las bacterias beneficiosas del intestino porque puede pasar de la fermentación, que produce energía lentamente sin necesidad de oxígeno, a la respiración, que produce energía rápidamente y suele requerir oxígeno, según informó anteriormente Live Science. En el entorno de bajo oxígeno de los intestinos, la Salmonella utiliza un compuesto llamado tetrationato como sustituto del oxígeno, superando así a las bacterias beneficiosas del organismo.

¿Pero qué pasaría si esas bacterias útiles pudieran tener una ventaja? En teoría, si se equipa a las bacterias con nanocables y se las introduce en el intestino, como una especie de tratamiento probiótico, podrían superar a patógenos dañinos como la Salmonella, dijo Malvankar. Malvankar y sus colegas están estudiando esta posible vía de tratamiento, pero el trabajo está aún en sus primeras fases.