Cómo los microbios consumidores de electricidad usan electrones para reparar el dióxido de carbono.

Dirigido por Arpita Bose, profesora asistente de biología en Artes y Ciencias, y Michael Guzman, candidato a doctorado en su laboratorio, un equipo de la Universidad de Washington mostró cómo una cepa natural de Rhodopseudomonas palustris toma electrones de sustancias conductoras como los óxidos metálicos o el óxido. El trabajo se describe en un artículo del 22 de marzo en la revista. Comunicaciones de la naturaleza.

El estudio se basa en el descubrimiento anterior de Bose de que R. palustris TIE-1 puede consumir electrones de proxies de óxido como los electrodos en equilibrio, un proceso denominado captación de electrones extracelular. R. palustris es fototrófico, lo que significa que utiliza energía de la luz para llevar a cabo ciertos procesos metabólicos. La nueva investigación explica los sumideros celulares donde este microbio descarga los electrones que consume de la electricidad.

"Muestra claramente por primera vez cómo esta actividad, la capacidad del organismo para comer electricidad, está conectada a la fijación de dióxido de carbono", dijo Bose, un miembro de Packard que estudia los metabolismos microbianos y su influencia en el ciclo biogeoquímico.

Este conocimiento mecánico puede ayudar a informar los esfuerzos para aprovechar la capacidad natural del microbio para el almacenamiento de energía sostenible u otras aplicaciones de bioenergía, un potencial que ha llamado la atención del Departamento de Energía y el Departamento de Defensa.

"R. palustris se pueden encontrar cepas en lugares salvajes y exóticos como un puente oxidado en Woods Hole, Massachusetts, donde se aisló TIE-1 ", dijo Bose." Realmente, puedes encontrar estos organismos en todas partes. Esto sugiere que la captación de electrones extracelular podría ser muy común ".

Guzmán agregó: "El principal desafío es que es un anaerobio, por lo que necesita cultivarlo en un entorno que no tenga oxígeno para que pueda obtener energía lumínica. Pero la otra cara es que esos desafíos se enfrentan a mucha versatilidad en este organismo que muchos otros organismos no tienen ".

En su nuevo artículo, los investigadores mostraron que los electrones de la electricidad entran en las proteínas de la membrana que son importantes para la fotosíntesis. Sorprendentemente, cuando eliminaron la capacidad del microbio para reparar el dióxido de carbono, observaron una reducción del 90 por ciento en su capacidad para consumir electricidad.

"Realmente quiere arreglar el dióxido de carbono usando este sistema", dijo Bose. "Si lo quitas, esta habilidad innata, simplemente no quiere tomar electrones en absoluto".

Ella dijo que la reacción es similar en algunos aspectos a una batería recargable.

"El microbio usa la electricidad para cargar su piscina redox, almacenando los electrones y reduciéndolos", dijo Bose. "Para descargarlo, la célula reduce el dióxido de carbono. La energía para todo esto proviene de la luz solar. Todo el proceso se repite, permitiendo que la célula produzca biomoléculas con nada más que electricidad, dióxido de carbono y luz solar".

Un equipo de la Universidad de todo Washington superó varios obstáculos técnicos para completar este estudio. Mark Meacham, de la Escuela de Ingeniería McKelvey, ayudó a diseñar y fabricar los dispositivos microfluídicos que permitieron a los investigadores concentrarse en las actividades que se llevaban a cabo en las células como las bacterias alimentadas por fuentes de electricidad. El equipo también contó con el apoyo de colaboradores como David Fike en el departamento de ciencias terrestres y planetarias, quienes ayudaron a Bose y Guzman a usar la espectrometría de masas de iones secundarios para determinar cómo el microbio usa el dióxido de carbono.

La nueva investigación responde preguntas de ciencia básica y brinda muchas oportunidades para futuras aplicaciones de bioenergía.

"Durante mucho tiempo, las personas han sabido que los microbios pueden interactuar con los análogos de los electrodos en el medio ambiente, es decir, los minerales que también están cargados", dijo Guzmán. "Pero nadie realmente apreció cómo los fotoautótrofos podrían hacer este proceso, como estos tipos de organismos que fijan su propio carbono y usan la luz para generar energía. Esta investigación llena una brecha poco conocida en el campo".

El laboratorio de Bose está trabajando en el uso de estos microbios para hacer bioplásticos y biocombustibles.

"Esperamos que esta capacidad de combinar electricidad y luz para reducir el dióxido de carbono se pueda usar para ayudar a encontrar soluciones sostenibles a la crisis energética", dijo Bose.