Bacterias fotosintéticas púrpuras aplicadas a bioelectrosíntesis
Las bacterias fototróficas (anoxigénicas) púrpuras (PPB) son el mayor grupo de microorganismos fotosintéticos que habita en ambientes acuáticos y terrestres. Son microorganismos extremadamente versátiles por su complejo metabolismo. Son capaces de utilizar sustratos muy diversos y de producir materiales de alto valor añadido como bioplásticos y ciertas proteínas de interés industrial. Recientemente, se ha conseguido aislar y cultivar un microorganismo de este tipo, presente en distintos sistemas experimentales de tratamiento de aguas de nuestro laboratorio. Debido a su halotolerancia y a los sustratos que puede utilizar se propone como un organismo con un gran potencial en la bioelectrosíntesis, proceso en el cual un electrodo actúa como donador de electrones, favoreciendo la producción de compuestos de alto valor añadido.
Carlos Manchón Vállegas, Área de Ingeniería Química, UAH
Las PPB (Purple Phosynthetic Bacteria) son microorganismos gram negativos, anaerobios facultativos. Son capaces de crecer de forma autótrofa utilizando CO2 como única fuente de carbono (fotoautótrofos) (Ehrenreich et al. 1994; Brune 1995) y son capaces de utilizar otras fuentes de carbono complejas en su metabolismo (fotoheterótrofos) (Sojka 1978). Los electrones pueden provenir de compuestos inorgánicos como el hidrógeno, sulfuro o hierro bivalente, cuando el crecimiento es fotoautótrofo, o de compuestos orgánicos como ácidos grasos, aminoácidos e intermediarios del ácido cítrico, cuando el crecimiento es fotoheterótrofo.
Este tipo de bacterias es capaz de convertir la energía de la luz en energía química a través de un proceso que se denomina fotosíntesis anoxigénica. Es decir, son capaces de llevar a cabo la fotosíntesis en ausencia de oxígeno. Estos microorganismos poseen pigmentos fotosintéticos, bacterioclorofilas y carotenoides, que permiten la absorción de la energía de la luz (Yurkov 1998).
Su aparato fotosintético, uno de los más simples de este tipo, dirige la energía absorbida de la luz hacia un flujo cíclico de electrones, que provoca un gradiente de protones. Esta energía contenida en el gradiente de protones se utiliza para almacenar la energía de la luz en forma de ATP, en un proceso catalizado por la ATP sintasa (Fig.1). A este proceso se le denomina fotofosforilación.
Algunos grupos de PPB son capaces de metabolizar compuestos de difícil degradación como compuestos aromáticos de origen vegetal (lignina), hidrocarburos complejos y otros. Se ha descrito su capacidad de soportar condiciones desfavorables, tanto de temperatura como de salinidad (Madigan 2003). Estas capacidades abren su abanico potencial para la síntesis de productos de alto valor añadido a partir de sustratos muy diversos que puedan provenir de industrias de muy diferente naturaleza.
Estos microorganismos son capaces de generar principalmente tres productos de interés industrial; polihidroxialcanoatos (PHA), hidrógeno y proteínas de uso alimenticio (SCP, Single Cell Protein). La producción de uno u otro, depende del sustrato utilizado y su estado de oxidación.
En los últimos años se ha descrito la capacidad de estos microorganismos de utilizar donadores insolubles de electrones. Así, es posible utilizar un electrodo para suministrar electrones al microorganismo y que éste pueda utilizarlos en su metabolismo. Este proceso, acoplado a la obtención de un producto de interés, se denomina bioelectrosíntesis. Debido a la amplia gama de sustratos que este tipo de bacterias es capaz de utilizar y a los productos que son capaces de generar, el uso de estos microorganismos se ha convertido en un interesante campo de investigación con un alto potencial científico e industrial.
El grupo de Bioelectrogénesis trabaja con varios sistemas de tratamiento de aguas de muy diversos tipos, muchos de ellos con consorcios bacterianos, por lo que cualquier bacteria procedente del influente puede formar parte del consorcio siempre que las condiciones le sean favorables.
Como estudiante en prácticas, mi investigación en el grupo de Bioelectrogénesis me ha permitido estudiar la fisiología de un microorganismo de este tipo, presente en varios sistemas experimentales del laboratorio. Durante este tiempo he explorado su fisiología a través del uso de diversos sustratos que incluyen aguas residuales reales, así como su tolerancia a la alta salinidad.
Como parte de mi período de prácticas también investigué la respuesta electroquímica de este tipo de fotobacterias utilizando una celda electroquímica de dos cámaras. (Fig. 5). El análisis de la respuesta electroquímica del sistema bacteria-electrodo se realizó mediante una técnica denominada voltametría cíclica, y reveló la presencia de varios picos de oxidación y de reducción. Estos datos preliminares sugieren la capacidad electroactiva del microorganismo, y por lo tanto su aplicación potencial en bioelectrosíntesis.
Estos resultados positivos nos animaron a intentar su identificación tras conseguir aislarlo en medio sólido. La ampliación y secuenciación la región de DNA que codifica para rRNA 16 S nos proporcionará información sobre la identidad de esta bacteria electroactiva ya sea una nueva especie de fotobacteria o es una especie ya descrita con un gran potencial industrial.
El aislamiento del microorganismo coincidió con la concesión del primer premio -compartido con la URJC- del Campus de Excelencia Internacional Energía Inteligente (CEI 2016) al proyecto “Electrosíntesis de bioproductos de alto valor añadido y bioenergía a partir de aguas residuales mediante cultivos mixtos de fotobacterias iluminadas con luz infrarroja”. Por lo que este pequeño descubrimiento, fruto de la curiosidad, podrá continuar su camino para convertirse en un estudio científico de mayor envergadura. Este ejemplo, muestra que, aun estando en el siglo XXI, la curiosidad sigue siendo el motor principal del conocimiento científico.
FIGURAS
Figura 1. Esquema de los mecanismos de obtención de ATP y poder reductor a partir del gradiente de protones.
Figura 2. Esquema de una celda electrolítica microbiana con un cátodo colonizado por fotobacterias.
Figura 3. Crecimiento de bacterias fotosintéticas en diferentes medios de cultivo. De izquierda a derecha: Condiciones de fotoheterotrofía, condiciones de fotoautotrofía y control.
Figura 4. Crecimiento de bacterias fotosintéticas en concentraciones crecientes de NaCl.
Figura 5. Celda en H con cultivo de PPB en la cámara izquierda y medio sin microorganismos en la celda derecha.
REFERENCIAS
Brune DC (1995) Sulfur compounds as photosynthetic electron donors. In: Blankenship RE, Madigan MT and Bauer CE (eds) Anoxygenic Photosynthetic Bacteria (Advances in Photosynthesis and Respiration, Vol 2), pp 847–870. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht
Ehrenreich A and Widdel F (1994) Anaerobic oxidation of ferrous iron by purple bacteria, a new type of phototrophic metabolism. Appl Environ Microbiol 60: 4517–4526
Madigan MT (2003) Anoxygenic phototrophic bacteria from extreme environments. Photosynth Res 76: 157–171
Sojka GA (1978) Metabolism of nonaromatic organic compounds. In: Clayton RK and Sistrom WR (eds) The Photosynthetic Bacteria, pp 707–718. Plenum Press, New York
Yurkov VV and Beatty JT (1998) Aerobic anoxygenic phototrophic bacteria. Microbiol Mol Biol Rev 62: 695–724