Bacterias generan electricidad usando dióxido de carbono e hidrógeno

Investigadores de la Universidad de Massachussetts, USA, han logrado transformar con éxito una bacteria para que sea capaz de producir energía eléctrica, suministrando únicamente al cultivo dióxido de carbono e hidrógeno en forma gaseosa como aceptor de electrones. Este hallazgo fue anunciado durante la Edición nº 113 de la Asociación Americana de Microbiología (113th General Meeting of the American Society for Microbiology).

Según palabras de Amit Kumar, uno de los investigadores del estudio, perteneciente al grupo de laboratorio de Derek Lovley, este descubrimiento representaría el primer resultado de producción de corriente eléctrica únicamente con hidrógeno.

Amit Kumar y sus compañeros del grupo de laboratorio estudiaron a Geobacter sulfurreducens, una bacteria que posee la habilidad de producir electricidad por medio de la reducción de compuestos de tipo carbono orgánico (hidrocarburos, azúcares…), usando como aceptor de electrones tanto el óxido de hierro como el oro. A continuación, ellos modificaron genéticamente una cepa bacteriana que no requería carbono orgánico para poder crecer en una celda de combustible microbiana (microbial fuel cell, MFC). Kumar destaca en este descubrimiento que, cuando el suministro de hidrógeno se interrumpía cada cierto tiempo, el nivel de corriente eléctrica bajaba significativamente.

¿Cómo funciona una celda de combustible microbiana (MFC)?

Una MFC es un dispositivo en el cual, la energía química de un compuesto es convertida a energía eléctrica. Para ello, se usan bacterias (concretamente a Geobacter sulfurreducens o relacionados) como catalizadores de esta conversión.

Esquema de funcionamiento de un MFC. Fuente: microbialfuelcell.org
Esquema de funcionamiento de un MFC. Fuente: microbialfuelcell.org

La bacteria se sitúa en la zona del ánodo y va metabolizando sustratos orgánicos como la glucosa o el acetato, a la vez que se generan en un plano secundario moléculas tales como CO2, protones y electrones. En condiciones naturales, la bacteria aprovecha el oxígeno de la atmósfera, además de nitratos, como aceptores finales de electrones para producir, en último término, agua. Sin embargo, en el caso de que la bacteria esté operando en la MFC, el medio es anóxico y ésta tendrá que utilizar el ánodo MFC como aceptor final de electrones (un aceptor insoluble).

Gracias a la capacidad de la bacteria para transferir electrones a un aceptor insoluble, pueden aprovecharse los electrones generados a partir del normal metabolismo del microorganismo y recolectarlos, para así generar una corriente eléctrica. Esta transferencia de electrones puede darse bien por componentes asociados a la membrana, lanzaderas de electrones o incluso mediante nanocables (nanowires).

A continuación, los electrones viajan a través del circuito eléctrico: la diferencia de potencial entre los electrodos (el ánodo y el cátodo) y el flujo de electrones resulta en la generación de energía eléctrica. Por otra parte, los protones fluyen desde el ánodo hasta el cátodo a través de una membrana de intercambio: estos protones servirán para reducir el oxígeno (esta zona es aerobia) a agua en la zona del cátodo, para que el circuito siga funcionando.

Los circuitos biológicos: nanowires

Los pili (pilus en singular) son evaginaciones de la membrana plasmática que presentan infinidad de microorganismos. Tienen como principal función la transferencia de material genético (los pili sexuales de E. coli) o proveer la capacidad de movimiento. En el caso de Geobacter sulfurreducens, éste utiliza sus pili (nanowires) para el transporte de electrones, hacia compuestos como el hierro o incluso transmitiéndolos a otros microorganismos. Resulta curioso y controvertido que estas prolongaciones de la membrana puedan actuar como cables biológicos, pues, aunque en el metabolismo de cualquier organismo se dé el transporte electrónico, éste ocurre a través de pequeñas proteínas o de moléculas aceptoras o donadoras de electrones.

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Derek Lovley. Fuente: The Guardian

Hace unos meses, Derek Lovley pudo demostrar que esta sorprendente capacidad debe su origen a la presencia de ciertos aminoácidos aromáticos: sin ellos, estos nanowires perderían esa conductividad tan propia de los metales. Él y su equipo de investigación llegaron a esta suposición tras haber estudiado cómo se produce la transmisión de electricidad en materiales convencionales: Lovley comprobó que en estos materiales había compuestos aromáticos que eran responsables de la capacidad conductora de éstos (los compuestos aromáticos poseen un anillo de carbono altamente estable), por lo que él extrapoló esta hipótesis a los pili de Geobacter: en este caso, los causantes de la capacidad conductora de los pili serían los aminoácidos aromáticos.

Para demostrarlo, desarrollaron una cepa de Geobacter que carecía de aminoácidos aromáticos en zonas clave de los pili, para observar si todavía había atisbo de conductividad eléctrica. La eliminación de estos aminoácidos evitó que la bacteria redujera el hierro, algo importante ya que apoyaba el hecho de que Geobacter usara estos nanowires para la respiración celular.

Las especies del género Geobacter son de gran interés debido a su capacidad de biorremediación, potencial bioenergético, y la capacidad de transferencia de electrones fuera de la célula. Los beneficios de estos nanowires también pueden aprovecharse por los seres humanos para su uso en pilas o en bioelectrónica. Concretamente, Geobacter sulfurreducens es una de las bacterias más utilizadas por su alta eficiencia de conversión.

Aun así, la tecnología del MFC todavía se halla en etapas de experimentación, y las pruebas a escala de planta piloto han dado resultados muy pobres, aunque se prevé que esta tecnología pronto tenga cabida en un futuro a corto-mediano plazo.

Notas de prensa:

Otras Referencias de interés:

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