Geobacter y Shewanella: bacterias que generan electricidad

Los seres vivos están conformados por células, constituidas por una membrana citoplasmática, que contienen al menos una copia de su genoma y un conjunto de estructuras y moléculas con funciones específicas que la mantienen "viable". La función básica de cualquier célula o ser vivo es perpetuar su genoma, las que no lo hacen sencillamente se extinguen. Para cumplir con esta función, una célula debe generar dos o más copias de su genoma (replicación de ADN) y luego dividirse, generalmente en dos células hijas, recibiendo cada una de ellas al menos una copia de su genoma. Este proceso, denominado ciclo celular, se repite, en tanto que la célula disponga de fuentes de carbono, energía y electrones. Así, una célula o un organismo multicelular es una forma de organización de la materia a través de la cual fluye constantemente materia, energía y electrones. Si este flujo se interrumpe, cesa la vida.
Las bacterias tienen la capacidad de utilizar una gran diversidad de moléculas orgánicas e inorgánicas como fuente de carbono y de electrones, algunas obtienen la energía de estas mismas moléculas o bien de la luz solar (fotosíntesis). Los electrones provienen de los enlaces covalentes de las moléculas y se transfieren por medio de reacciones de óxido-reducción (redox): una molécula dona los electrones (oxidación) en tanto que otra los acepta (reducción). Las reacciones catabólicas que permiten generar energía y metabolitos intermedios que se utilizan posteriormente para la biosíntesis de macromoléculas generan un grupo de moléculas denominadas equivalentes reductores, moléculas que tienen la capacidad de donar electrones.
En la membrana citoplasmática de muchas bacterias existe un conjunto de moléculas complejas que realizan una serie de reacciones redox, denominadas colectivamente cadena respiratoria, que utilizan los equivalentes reductores del metabolismo para transferir electrones secuencialmente entre sus diferentes componentes, mientras que expulsan protones y producir un gradiente de protones a través de la membrana. Este gradiente, denominado potencial de membrana, es una forma de energía electroquímica que es utilizada por bacterias para sintetizar ATP y darle rotación al motor flagelar, por ejemplo.
Para mantener un flujo constante de electrones, la cadena respiratoria requiere de moléculas que funcionen como aceptores finales de electrones. En muchas bacterias y en la mitocondrias de organismos superiores, el aceptor final es el oxígeno molecular (O2), el cual, al reducirse, forma agua (H2O). Cuando el aceptor final es el oxígeno, se dice que la cadena respiratoria es aerobia. Sin embargo, muchas bacterias pueden utilizar otras moléculas distintas al oxígeno como aceptor final en la cadena respiratoria, denominada entonces anaerobia. Estos aceptores finales de electrones, sea el oxígeno molecular así como otras moléculas, son solubles y están disponibles en el interior de la célula bacteriana.
Shewanella y Geobacter son dos bacterias Gram-negativas (además de la membrana poseen una membrana externa) con procesos de respiración anaerobia. Una característica muy particular que tienen estas bacterias es que pueden utilizar aceptores finales que se encuentran fuera de la célula bacteriana, incluso a distancias relativamente grandes. ¿Cómo lo hacen?
Ambos tipos de bacterias producen proteínas de membrana externa a manera de porina, que facilita la interacción de una proteína periplasmática y otra proteína extracelular. Estas dos últimas proteínas contienen grupos hemo, los cuales contienen un átomo de hierro ionizado acoplado a un heterociclo orgánico denominado porfirina. El hierro de los grupos hemo puede estar oxidado (Fe3+) o reducido al ganar un electrón (Fe2+). La proteína periplasmática recupera los electrones de la correspondiente cadena respiratoria en la membrana citoplasmática y los transfiere a la proteína extracelular, todo ocurriendo por medio de reacciones redox (Fe3+ + e = Fe2+). La proteína extracelular actúa como donador de electrones a óxidos metálicos, como el óxido férrico F2O5 (Fe3+), presentes en el medio en el que se encuentre la bacteria.
Adicionalmente, Shewanella secreta flavinas como equivalentes reductores al espacio extracelular. Geobacter posee además unos filamentos proteicos, similares a fimbrias, formada por cientos a miles de subunidades de una proteína que posee varios grupos heme, que también pueden transferir electrones a lo largo del filamento, que han sido llamados nanocables (nanowires).

La presentación estuvo a cargo de la estudiante de posgrado María Paula Ramírez Sandoval (Biología), quien estuvo de acuerdo en grabar la sesión y hacer público el vídeo. El artículo en que se basó la presentación es el siguiente:

Gralnick JA, Bond DR. 2023. Electron transfer beyond the outer membrane: putting electrons to rest. Annu. Rev. Microbiol. 77:517-539. https://doi.org/10.1146/annurev-micro...

La imagen que acompaña este vídeo fue tomada de MicrobeWiki.