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Bacterias misteriosas que fabrican cables eléctricos
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Video: Bacterias misteriosas que fabrican cables eléctricos

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Anonim

Para Lars Peter Nielsen, todo comenzó con la misteriosa desaparición del sulfuro de hidrógeno. El microbiólogo recogió el lodo negro y maloliente del fondo del puerto de Aarhus en Dinamarca, lo arrojó en grandes vasos de vidrio e insertó microsensores especiales que detectaron cambios en la composición química del lodo.

Al comienzo del experimento, la composición estaba saturada con sulfuro de hidrógeno, la fuente del olor y color del sedimento. Pero 30 días después, una franja de tierra se puso pálida, lo que indica la pérdida de sulfuro de hidrógeno. Finalmente, los microsensores mostraron que toda la conexión se había ido. Teniendo en cuenta lo que los científicos sabían sobre la biogeoquímica del barro, recuerda Nielsen de la Universidad de Aarhus, "no tenía ningún sentido".

La primera explicación, dijo, fue que los sensores estaban mal. Pero la razón resultó ser mucho más extraña: las bacterias que conectan las células crean cables eléctricos que pueden conducir corriente hasta 5 centímetros a través de la tierra.

Una adaptación nunca antes vista en microbios permite que estas llamadas bacterias cableadas superen un problema importante al que se enfrentan muchos organismos que viven en el lodo: la falta de oxígeno. Su ausencia generalmente evita que las bacterias metabolicen compuestos como el sulfuro de hidrógeno para la alimentación. Pero los cables, al unir microbios a depósitos ricos en oxígeno, les permiten reaccionar a largas distancias.

Cuando Nielsen describió por primera vez el descubrimiento en 2009, sus colegas se mostraron escépticos. Philip Meisman, ingeniero químico de la Universidad de Amberes, recuerda haber pensado: "Esto es una completa tontería". Sí, los investigadores sabían que las bacterias podían conducir la electricidad, pero no a las distancias sugeridas por Nielsen. “Era como si nuestros propios procesos metabólicos pudieran afectar una distancia de 18 kilómetros”, dice el microbiólogo Andreas Teske de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill.

Pero cuanto más buscaban los investigadores lodo "electrificado", más lo encontraban tanto en el agua salada como en el agua dulce. También identificaron un segundo tipo de microbio eléctrico amante de la suciedad: las bacterias de nanocables, células individuales que desarrollan estructuras de proteínas que pueden mover electrones en distancias más cortas.

Estos microbios de nanocables se encuentran en todas partes, incluso en la boca humana

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Los descubrimientos obligan a los investigadores a reescribir los libros de texto; repensar el papel de las bacterias del lodo en el procesamiento de elementos clave como el carbono, el nitrógeno y el fósforo; y revisar cómo afectan los ecosistemas acuáticos y el cambio climático.

Los científicos también están buscando aplicaciones prácticas, explorando el potencial de las bacterias que contienen cables y nanocables para combatir la contaminación y alimentar dispositivos electrónicos. "Estamos viendo muchas más interacciones dentro de los microbios y entre los microbios que utilizan electricidad", dice Meisman. "Yo lo llamo la biosfera eléctrica".

La mayoría de las células prosperan tomando electrones de una molécula, un proceso llamado oxidación, y transfiriéndolos a otra molécula, generalmente oxígeno, llamado reducción. La energía obtenida de estas reacciones gobierna otros procesos de la vida. En las células eucariotas, incluida la nuestra, estas reacciones "redox" ocurren en la membrana interna de las mitocondrias, y las distancias entre ellas son diminutas, solo micrómetros. Esta es la razón por la que tantos investigadores se mostraron escépticos sobre la afirmación de Nielsen de que las bacterias del cable mueven electrones a través de una capa de tierra del tamaño de una pelota de golf.

La desaparición del sulfuro de hidrógeno fue la clave para demostrarlo. Las bacterias forman un compuesto en el lodo, descomponiendo los restos de plantas y otros materiales orgánicos; en depósitos más profundos, el sulfuro de hidrógeno se acumula debido a la falta de oxígeno, lo que ayuda a otras bacterias a degradarlo. Sin embargo, el sulfuro de hidrógeno todavía desapareció en los vasos de precipitados de Nielsen. Además, apareció un tinte oxidado en la superficie de la suciedad, lo que indicó la formación de óxido de hierro.

Al despertarse una noche, Nielsen se le ocurrió una extraña explicación: ¿qué pasaría si las bacterias enterradas en el lodo completaran la reacción redox, evitando de alguna manera las capas pobres en oxígeno? ¿Qué pasaría si, en cambio, usaran el abundante suministro de sulfuro de hidrógeno como donante de electrones y luego canalizaran los electrones hacia la superficie rica en oxígeno? Allí, en el proceso de oxidación, se forma óxido si hay hierro presente.

Encontrar qué transporta estos electrones ha resultado difícil. Primero, Niels Riesgaard-Petersen del equipo de Nielsen tuvo que descartar una posibilidad más simple: las partículas de metal en el sedimento transportan electrones a la superficie y causan oxidación. Lo logró insertando una capa de perlas de vidrio que no conducen electricidad en un pilar de tierra. A pesar de este obstáculo, los investigadores aún encontraron una corriente eléctrica que se movía a través del lodo, lo que sugiere que las partículas metálicas no eran conductoras.

Para ver si un cable o alambre transportaba electrones, los investigadores luego usaron alambre de tungsteno para hacer un corte horizontal a través de la columna de lodo. La corriente se fue, como si se hubiera cortado un cable. Otro trabajo redujo el tamaño del conductor, sugiriendo que debería tener al menos 1 micrómetro de diámetro. "Este es el tamaño normal de las bacterias", dice Nielsen.

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En última instancia, las micrografías electrónicas revelaron un posible candidato: fibras bacterianas largas y delgadas que aparecieron en una capa de perlas de vidrio insertadas en vasos de precipitados llenos de lodo del puerto de Aarhus. Cada filamento constaba de una pila de células, hasta 2000, encerradas en una membrana exterior acanalada. En el espacio entre esta membrana y las celdas apiladas una encima de la otra, una pluralidad de "alambres" paralelos estiraban el hilo en toda su longitud. La apariencia similar a un cable inspiró el nombre común del microbio.

Meisman, un ex escéptico, se convirtió rápidamente. Poco después de que Nielsen anunciara su descubrimiento, Meismann decidió investigar una de sus propias muestras de lodo marino. “Noté los mismos cambios de color en el sedimento que él vio”, recuerda Meisman. "Fue la dirección de la madre naturaleza tomarlo más en serio".

Su equipo comenzó a desarrollar herramientas y métodos para la investigación microbiana, a veces trabajando en conjunto con el grupo de Nielsen. Fue difícil. Los filamentos bacterianos tienden a deteriorarse rápidamente después del aislamiento y los electrodos estándar para medir corrientes en conductores pequeños no funcionan. Pero una vez que los investigadores aprendieron a elegir una sola hebra y colocar rápidamente un electrodo individual, "vimos una conductividad realmente alta", dice Meisman. Los cables activos no pueden competir con los cables de cobre, dijo, pero coinciden con los conductores utilizados en los paneles solares y las pantallas de los teléfonos móviles, así como con los mejores semiconductores orgánicos.

Los investigadores también analizaron la anatomía de las bacterias del cable. Utilizando baños químicos, aislaron la carcasa cilíndrica y descubrieron que contenía entre 17 y 60 fibras paralelas pegadas en el interior. El caparazón es la fuente de conducción, informaron Meisman y sus colegas el año pasado en Nature Communications. Su composición exacta aún se desconoce, pero puede estar basada en proteínas.

“Es un organismo complejo”, dice Nielsen, quien ahora dirige el Centro de Electro-Microbiología, creado en 2017 por el gobierno danés. Entre los problemas que resuelve el centro está la producción masiva de microbios en cultivo. "Si tuviéramos un cultivo puro, sería mucho más fácil" probar ideas sobre el metabolismo celular y el efecto del medio ambiente en la conducción, dice Andreas Schramm del centro. Las bacterias cultivadas también facilitarán el aislamiento de los cables y probarán las posibles aplicaciones de biorremediación y biotecnología.

Mientras los investigadores están desconcertados por las bacterias en el cable, otros están mirando a otro jugador importante en el lodo eléctrico: bacterias basadas en nanocables que, en lugar de doblar las células en cables, crecen cables de proteína de 20 a 50 nm de longitud en cada célula.

Al igual que con las bacterias de los cables, la misteriosa composición química de los depósitos llevó al descubrimiento de microbios de nanocables. En 1987, el microbiólogo Derek Lovley, ahora en la Universidad de Massachusetts Amherst, trató de comprender cómo el fosfato de las aguas residuales de fertilizantes, un nutriente que promueve la proliferación de algas, se libera de los sedimentos debajo del río Potomac en Washington, DC. trabajó y comenzó a quitar las malas hierbas de la tierra. Después de cultivar uno, ahora llamado Geobacter Metallireducens, notó (bajo un microscopio electrónico) que las bacterias habían desarrollado enlaces con minerales de hierro cercanos. Sospechaba que los electrones se transportaban a lo largo de estos cables y finalmente descubrió que Geobacter orquestaba reacciones químicas en el lodo, oxidando compuestos orgánicos y transfiriendo electrones a minerales. Estos minerales reducidos luego liberan fósforo y otros elementos.

Al igual que Nielsen, Lovely se enfrentó al escepticismo cuando describió por primera vez su microbio eléctrico. Hoy, sin embargo, él y otros han registrado casi una docena de tipos de microbios de nanocables, encontrándolos en entornos distintos a la suciedad. Muchos transportan electrones hacia y desde partículas en el sedimento. Pero algunos dependen de otros microbios para recibir o almacenar electrones. Esta asociación biológica permite a ambos microbios "participar en nuevos tipos de química que ningún organismo puede hacer por sí solo", dice Victoria Orfan, geobióloga del Instituto de Tecnología de California. Si bien las bacterias del cable resuelven sus necesidades redox al ser transportadas a largas distancias en lodo oxigenado, estos microbios dependen del metabolismo de los demás para satisfacer sus necesidades redox.

Algunos investigadores aún debaten cómo los nanocables bacterianos conducen los electrones, y Lovley y sus colegas están convencidos de que la clave son las cadenas de proteínas llamadas pilinas, que están formadas por aminoácidos circulares. Cuando él y sus colegas redujeron la cantidad de aminoácidos anillados en la pilina, los nanocables se volvieron menos conductores. “Fue realmente asombroso”, dice Lovely, porque generalmente se acepta que las proteínas son aislantes. Pero otros piensan que esta cuestión está lejos de estar resuelta. Orphan, por ejemplo, dice que aunque "hay evidencia abrumadora … todavía no creo que [la conducción del nanoalambre] se comprenda bien".

Lo que está claro es que las bacterias eléctricas están por todas partes. En 2014, por ejemplo, los científicos descubrieron bacterias cable en tres hábitats muy diferentes en el Mar del Norte: en un pantano de sal de marea, en una cuenca del lecho marino donde los niveles de oxígeno caen casi a cero en algunas estaciones, y en una llanura fangosa inundada cerca del mar. … orilla. (No los encontraron en un área arenosa habitada por gusanos que agitan los sedimentos y rompen los cables). En otros lugares, los investigadores han encontrado evidencia de ADN de bacterias del cable en cuencas oceánicas profundas, pobres en oxígeno, áreas de aguas termales y condiciones frías. derrames y manglares y bancos de mareas en regiones templadas y subtropicales.

Las bacterias del cable también se encuentran en ambientes de agua dulce. Después de leer los artículos de Nielsen en 2010 y 2012, un equipo dirigido por el microbiólogo Rainer Meckenstock volvió a examinar los núcleos de sedimentos perforados durante un estudio de contaminación del agua subterránea en Düsseldorf, Alemania. “Encontramos [las bacterias del cable] exactamente donde pensamos que las encontraríamos”, a profundidades donde se agotó el oxígeno, recuerda Mekenstock, que trabaja en la Universidad de Duisburg-Essen.

Las bacterias de nanocables están aún más extendidas. Los investigadores los han encontrado en suelos, arrozales, intestinos profundos e incluso plantas de tratamiento de aguas residuales, así como en sedimentos marinos y de agua dulce. Pueden existir dondequiera que se formen biopelículas, y la ubicuidad de las biopelículas es una prueba más del gran papel que estas bacterias pueden desempeñar en la naturaleza.

La amplia variedad de bacterias de lodos eléctricos también sugiere que desempeñan un papel importante en los ecosistemas. Por ejemplo, al prevenir la acumulación de sulfuro de hidrógeno, las bacterias del cable probablemente hagan que la suciedad sea más habitable para otras formas de vida. Meckenstock, Nielsen y otros los han encontrado en o cerca de las raíces de los pastos marinos y otras plantas acuáticas que liberan oxígeno, que las bacterias probablemente usan para descomponer el sulfuro de hidrógeno. Esto, a su vez, protege a las plantas del gas tóxico. La asociación "parece muy característica de las plantas acuáticas", dijo Meckenstock.

Robert Aller, biogeoquímico marino de la Universidad de Stony Brook, cree que las bacterias también pueden ayudar a muchos invertebrados submarinos, incluidos los gusanos que construyen madrigueras que permiten que el agua oxigenada entre en el barro. Encontró bacterias del cable pegadas a los lados de los tubos del gusano, presumiblemente para que pudieran usar este oxígeno para almacenar electrones. A su vez, estos gusanos están protegidos del sulfuro de hidrógeno tóxico. "Las bacterias hacen que [la madriguera] sea más habitable", dice Aller, quien describió los enlaces en un artículo de julio de 2019 en Science Advances.

Los microbios también alteran las propiedades de la suciedad, dice Saira Malkin, ecologista del Centro de Ciencias Ambientales de la Universidad de Maryland. "Son especialmente eficaces … ingenieros de ecosistemas". Las bacterias del cable "crecen como la pólvora", dice; En los arrecifes de ostras de marea, descubrió que un centímetro cúbico de lodo puede contener 2.859 metros de cables que cementan las partículas en su lugar, posiblemente haciendo que el sedimento sea más resistente a los organismos marinos.

La bacteria también altera la química de la suciedad, haciendo que las capas más cercanas a la superficie sean más alcalinas y las capas más profundas más ácidas, encontró Malkin. Dichos gradientes de pH pueden afectar "numerosos ciclos geoquímicos", incluidos los asociados con el arsénico, el manganeso y el hierro, dijo, creando oportunidades para otros microbios.

Debido a que vastas extensiones del planeta están cubiertas de barro, dicen los investigadores, es probable que las bacterias asociadas con los cables y nanocables tengan un impacto en el clima global. Las bacterias de nanocables, por ejemplo, pueden tomar electrones de materiales orgánicos como diatomeas muertas y luego pasarlos a otras bacterias que producen metano, un poderoso gas de efecto invernadero. En diversas circunstancias, las bacterias del cable pueden reducir la producción de metano.

En los próximos años, "veremos un reconocimiento generalizado de la importancia de estos microbios para la biosfera", dice Malkin. Un poco más de diez años después de que Nielsen notó la misteriosa desaparición del sulfuro de hidrógeno del lodo de Aarhus, dice: "Es vertiginoso pensar en lo que estamos tratando aquí".

A continuación: ¿un teléfono alimentado por cables microbianos?

Los pioneros de los microbios eléctricos pensaron rápidamente en cómo utilizar estas bacterias.“Ahora que sabemos que la evolución ha sido capaz de crear cables eléctricos, sería una pena que no los usáramos”, dice Lars Peter Nielsen, microbiólogo de la Universidad de Aarhus.

Una posible aplicación es la detección y control de contaminantes. Los microbios del cable parecen prosperar en presencia de compuestos orgánicos como el petróleo, y Nielsen y su equipo están probando la posibilidad de que la abundancia de bacterias del cable indique la presencia de contaminación no descubierta en los acuíferos. Las bacterias no degradan directamente el aceite, pero pueden oxidar el sulfuro producido por otras bacterias aceitosas. También pueden ayudar a limpiar; la lluvia se recupera más rápido de la contaminación del petróleo crudo cuando es colonizada por bacterias del cable, informó otro grupo de investigación en enero en la revista Water Research. En España, un tercer equipo está investigando si las bacterias de nanocables pueden acelerar la limpieza de humedales contaminados. E incluso antes de que las bacterias basadas en nanocables fueran eléctricas, mostraron la promesa de descontaminar los desechos nucleares y los acuíferos contaminados con hidrocarburos aromáticos como el benceno o el naftaleno.

Las bacterias eléctricas también pueden dar lugar a nuevas tecnologías. Pueden modificarse genéticamente para alterar sus nanocables, que luego pueden cortarse para formar la columna vertebral de sensores portátiles sensibles, según Derek Lovley, microbiólogo de la Universidad de Massachusetts (UMass), Amherst. "Podemos diseñar nanocables y adaptarlos para que se unan específicamente a compuestos de interés". Por ejemplo, en la edición Lovely del 11 de mayo de Nano Research, el ingeniero de UMass, Jun Yao, y sus colegas describieron un sensor basado en nanocables que detecta amoníaco en concentraciones necesarias para aplicaciones agrícolas, industriales, ambientales y biomédicas.

Creado como una película, los nanocables pueden generar electricidad a partir de la humedad del aire. Los investigadores creen que la película genera energía cuando se produce un gradiente de humedad entre los bordes superior e inferior de la película. (El borde superior es más susceptible a la humedad). A medida que los átomos de hidrógeno y oxígeno del agua se separan debido al gradiente, se genera carga y fluyen los electrones. Yao y su equipo informaron en Nature el 17 de febrero que una película de este tipo podría crear suficiente energía para encender un diodo emisor de luz, y 17 de estos dispositivos conectados entre sí podrían alimentar un teléfono móvil. El enfoque es "una tecnología revolucionaria para generar energía renovable, limpia y barata", dice Qu Lianti, científico de materiales de la Universidad de Tsinghua. (Otros son más cautelosos y señalan que los intentos anteriores de extraer energía de la humedad utilizando grafeno o polímeros no han tenido éxito).

En última instancia, los investigadores esperan aprovechar las capacidades eléctricas de las bacterias sin tener que lidiar con microbios quisquillosos. Catch, por ejemplo, convenció a la bacteria común de laboratorio e industrial Escherichia coli para que fabricara nanocables. Esto debería facilitar a los investigadores la producción masiva de estructuras y el estudio de sus aplicaciones prácticas.

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