Estos microorganismos "respiran" dióxido de carbono e hidrógeno para transformarlo en ácido acético
Los animales, las plantas y muchos otros organismos vivos inhalan oxígeno para "quemar" (técnicamente: oxidar) compuestos como el azúcar y convertirlos en CO2 y agua, un proceso durante el cual se produce la molécula ATP, rica en energía. Las células necesitan ATP para impulsar reacciones vitales.
Sin embargo, en los inicios de la existencia de nuestro planeta, la atmósfera terrestre aún no contenía oxígeno. Sin embargo, estudios sobre antiguas bacterias que todavía hoy se encuentran en ecosistemas sin oxígeno, por ejemplo en fuentes termales en el fondo del océano, sugieren que incluso entonces podría haber existido una forma especial de respiración.
Estos microorganismos "respiran" dióxido de carbono e hidrógeno para transformarlo en ácido acético. La vía metabólica mediante la cual lo hacen se conoce desde hace tiempo. La pregunta que permanecía sin respuesta hasta ahora es cómo utilizan este proceso para producir ATP. Un nuevo estudio proporciona una respuesta.
"Pudimos demostrar que la producción de ácido acético por sí sola activa un sofisticado mecanismo mediante el cual los iones de sodio se bombean fuera de la célula bacteriana al medio ambiente", explica el profesor Volker Müller, catedrático de Microbiología Molecular y Bioenergética en la Universidad Goethe de Frankfurt. "Esto reduce la concentración de sodio dentro de la célula, por lo que la membrana celular actúa como una especie de barrera para los iones. Una vez abierta esta barrera, los iones de sodio fluyen de regreso a la célula, impulsando una especie de turbina molecular que genera ATP".
Imagen: Los investigadores principales, el profesor Volker Müller, el profesor Ville R.I. Kaila y el Dr. Jan M. Schuller (de izquierda a derecha).
Enzima de la respiración celular aislada hace apenas unos años
Un conglomerado de diferentes proteínas, conocido como complejo Rnf, desempeña un papel clave en este proceso. Estas proteínas se encuentran incrustadas en gran medida dentro de la membrana que rodea la célula bacteriana. "El complejo es tan sensible que solo pudimos aislarlo hace unos años", subraya Müller.
Cuando el dióxido de carbono reacciona con el hidrógeno para formar ácido acético, los electrones se transfieren del hidrógeno al átomo de carbono a través de una serie de diferentes pasos intermedios, en los que el complejo Rnf desempeña un papel mediador: recoge y transmite los electrones.
En el actual estudio, los científicos han demostrado ahora qué sucede exactamente durante este proceso.
El biólogo estructural Anuj Kumar, estudiante de doctorado tanto en el grupo de investigación de Müller como en el del Dr. Jan Schuller en la Universidad de Marburgo, utilizó un sofisticado método conocido como microscopía crioelectrónica, como parte del cual el complejo Rnf purificado de la bacteria Acetobacterium woodii fue "congelado por choque" y luego goteado sobre una placa portadora.
Imagen derecha: Estructura y conectividad eléctrica en el complejo Rnf de Acetobacterium woodii.
Durante el proceso se crea una fina película de hielo que contiene millones de complejos de Rnf, que pueden observarse con un microscopio electrónico. Dado que durante el goteo caen sobre la placa portadora de forma diferente, es posible observar sus diferentes caras al microscopio.
"Estas imágenes se pueden combinar en una tridimensional, lo que nos proporcionó una visión precisa de la estructura del complejo, especialmente de las partes esenciales para la transferencia de electrones", explica Kumar. El análisis de imágenes tomadas a diferentes intervalos muestra que, lejos de ser rígidos, los componentes individuales del complejo se mueven dinámicamente. Esto permite que los transportadores de electrones cubran mayores distancias y transmitan su carga.
Un mecanismo fundamentalmente nuevo
La pregunta persistía: ¿Cómo impulsa el flujo de electrones la salida de iones de sodio? Una simulación de dinámica molecular realizada por el grupo de trabajo del Prof. Dr. Ville Kaila en la Universidad de Estocolmo proporcionó una primera respuesta a esta pregunta. Un papel clave lo desempeña un grupo de átomos de hierro y azufre situado en el centro de la membrana, que, tras captar un electrón, se carga negativamente.
"Los iones de sodio con carga positiva del interior de la célula se sienten atraídos por este grupo, como si fuera un imán", explica Jennifer Roth, candidata a doctorado en el grupo de investigación de Müller. "Esta atracción, a su vez, provoca que las proteínas se desplacen alrededor del grupo hierro-azufre, como si se tratara de un interruptor: crean una abertura que conduce al exterior de la membrana, a través de la cual se liberan de nuevo los iones de sodio".
Roth pudo confirmar este proceso mediante modificaciones genéticas específicas en las proteínas Rnf. El hecho de que este mecanismo fundamentalmente nuevo pudiera dilucidarse demuestra la exitosa colaboración entre las tres universidades.
Lo que hace que los resultados sean aún más interesantes es la capacidad de los microorganismos de absorber CO2 de su entorno durante el proceso de producción de ácido acético. Esta capacidad podría utilizarse, por ejemplo, para eliminar los gases de efecto invernadero de las emisiones de residuos industriales. Podría contribuir a frenar el cambio climático y, al mismo tiempo, proporcionar valiosas materias primas para la industria química.
"Una vez que sepamos cómo las bacterias generan energía en el proceso, podremos optimizarlo para producir productos finales de mayor calidad", espera Müller. Los hallazgos también podrían proporcionar puntos de partida para nuevos medicamentos contra patógenos con enzimas respiratorias similares.
La investigación se ha publicado en Nature Communications: Molecular principles of redox-coupled sodium pumping of the ancient Rnf machinery
