Científicos quieren hacer combustible y plástico a partir de bacterias marinas

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cianobacteria

Pequeñas pero poderosas: octillones de cianobacterias en el océano crean grandes cantidades de hidrocarburos similares al diésel

A medida que se reproducen o perecen, las bacterias de la fotosíntesis, conocidas como cianobacterias, liberan colectivamente cada año cientos de millones de toneladas de hidrocarburos líquidos en el océano. Afortunadamente, para el ecosistema más amplio, otros organismos unicelulares son rápidos para engullir la mayoría de estos compuestos antes de que lleguen a la superficie.

Estos hidrocarburos, llamados alcanos, son químicamente similares al diésel. Si esas otras bacterias no consumieran los compuestos, las cianobacterias crearían efectivamente derrames de petróleo. Precisamente lo que hacen estos alcanos en los cuerpos de las cianobacterias, y por qué todas las especies conocidas de cianobacterias las producen, es un misterio. Y es uno que un grupo internacional, multidisciplinario de investigadores se dedica a desentrañar.

Los científicos dicen que esta profunda inmersión en el mundo de la fabricación de hidrocarburos microscópicos podría llevar a la producción de plásticos y biocombustibles biodegradables transmitidos por bacterias, que serían más respetuosos con el medio ambiente que la extracción de combustibles fósiles.

David Lea-Smith, microbiólogo de la Universidad de East Anglia en Inglaterra, encabeza el equipo. El proyecto se basa en parte en sus estudios que revelan la magnitud de la producción y el consumo de hidrocarburos por parte de los microbios marinos.

Según ese trabajo, las cianobacterias productoras de hidrocarburos se encuentran entre las criaturas fotosintéticas más abundantes del planeta. En cualquier momento dado, el océano puede contener hasta tres octillones de Prochlorococcus y 700 septillones de Synechococcus, dice Lea-Smith. Solo estos dos géneros de cianobacterias producen entre 300 y 800 millones de toneladas de alcanos por año. "Deben estar haciéndolo por una razón importante", dice.

Los científicos aún están averiguando cuál es este motivo, pero su hipótesis principal, basada en parte en el trabajo del miembro del equipo y de la bióloga Jane Allison de la Universidad de Auckland, es que los alcanos evitan que las paredes celulares de las cianobacterias se vuelvan grandes y rígidas, lo que dificulta la división de las células cuando llega el momento de reproducirse.

Allison llegó a esta conclusión basándose en experimentos con un programa de modelado molecular llamado Gromacs, que permite probar cómo interactúan a nivel químico los hidrocarburos y otras moléculas en las paredes celulares de las cianobacterias. En la vida real, las reacciones tienen lugar en unos pocos cientos de nanosegundos y en una escala de unos pocos cientos de nanómetros. Pero el programa hace que sea visible para el ojo humano una simulación precisa de todo el proceso.

“Estas son cosas que nunca podrías observar, incluso con un microscopio increíble. Es demasiado pequeño", dice Allison.

Hasta ahora, el modelo respalda la hipótesis del equipo: parece que las células tienen dificultades para dividirse sin los alcanos.

Pauli Kallio, un biólogo de plantas moleculares de la Universidad de Turku en Finlandia, no tiene dudas de que los alcanos agregan flexibilidad a las membranas celulares. Pero no está convencido de que esa sea su función principal. Él cree que la flexibilidad adicional es más probablemente un efecto secundario que la razón de ser de los hidrocarburos.

Dado que las cianobacterias fotosintetizan, y la complejidad del proceso en los organismos unicelulares, Kallio cree que los hidrocarburos desempeñan un papel en la capacidad de las cianobacterias para producir alimentos por sí mismas. Tal vez sean necesarios los alcanos para mantener las partes de la célula responsables de la fotosíntesis, dice. Aunque el laboratorio de Kallio ha estado estudiando durante años las bacterias de todas las franjas, todavía hay muchas incógnitas, dice.

Además de explorar los procesos químicos básicos dentro de la célula, Allison también está utilizando simulaciones por computadora para probar cómo podrían verse afectadas las cianobacterias por el cambio climático. Usando Gromacs, puede ajustar factores ambientales como la temperatura, la acidez y la presión, y observar cómo responden los organismos.

El modelo muestra que solo unos pocos grados centígrados de calentamiento pueden cambiar las membranas celulares de las cianobacterias, normalmente viscosas y gelatinosas, a un estado casi líquido. Todavía se desconoce qué efecto podría tener esto en su supervivencia. Por ejemplo, esta estabilidad reducida podría hacer que pierdan su forma y tengan problemas para reproducirse. Alternativamente, la calidez y flexibilidad añadidas podrían facilitar su reproducción.

Sin embargo, con suerte, la investigación sobre la propensión de las cianobacterias a la producción de hidrocarburos podría hacer que sea un tanto irrelevante esta cuestión de su capacidad para adaptarse a un mundo que se calienta. Además de estudiar la biología básica de los microbios, los científicos buscan ponerla en práctica.

Viji Sitther, bióloga de la Morgan State University en Baltimore que no está afiliada al equipo de Lea-Smith, estudia cianobacterias genéticamente alteradas (específicamente Fremyella diplosiphon) con la esperanza de obtener hidrocarburos de manera más eficiente.

El cambio a esta alternativa potencialmente verde es un paso importante para reducir los efectos ambientales de los combustibles fósiles, dice Sitther, pero el proceso de recolección de hidrocarburos de las cianobacterias requiere una gran cantidad de energía. Además, la contaminación con otras algas y bacterias redujo la productividad. Aprender más sobre la química en la membrana de la célula podría conducir a formas más limpias y más eficientes de energía para extraer alcanos útiles, agrega.

Mientras que los alcanos similares al diesel son producidos solo por cianobacterias, el equipo de Lea-Smith cree que otros microbios, incluyendo algunas especies de levadura, están produciendo una gran variedad de otros hidrocarburos. En el futuro, él y sus colegas buscarán la presencia y el propósito de estos compuestos en muchos organismos unicelulares.

Todavía es temprano para el proyecto, pero es probable que el trabajo tenga aplicaciones, tanto científicas como industriales, en las que el equipo aún no haya pensado. A medida que los resultados comienzan a llegar, el equipo de Lea-Smith transmitirá su conocimiento a aquellos que trabajan en campos que podrían beneficiarse de sus conocimientos sobre este mundo microscópico.

Referencias:

Contribution of cyanobacterial alkane production to the ocean hydrocarbon cycle
Proliferation of hydrocarbon-degrading microbes at the bottom of the Mariana Trench

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