Ua bacteria oceánica produce hidrógeno de forma natural

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CyanotheceUna cianobacteria emite hidrógeno como subproducto de los procesos cotidianos.

Un microbio oceánico aparentemente poco destacable, resulta ser multitarea – no sólo puede hacer la fotosíntesis, sino que también puede producir grandes cantidades de hidrógeno, abriendo un camino potencial para abaratar el gas como combustible.

La cianobacteria unicelular Cyanothece 51142 puede crear hidrógeno, según informan Himadri Pakrasi de la Universidad de Washington en St. Louis, Missouri, y sus colegas en Nature Communications1. Hasta el momento, los únicos organismos conocidos que fabrican hidrógeno sólo podían producirlo en un entorno sin oxígeno – haciendo que el proceso fuese potencialmente caro al escalarlo.

Cyanothece 51142 se descubrió en 1993, en la costa de Texas, por parte de Louis Sherman de la Universidad de Purdue en West Lafayette, Indiana, coautor del estudio. Pakrasi descubrió más tarde que la bacteria tenía un ciclo diario de dos etapas. Durante el día, hace la fotosíntesis, usando la luz solar y el dióxido de carbono para crear oxígeno y crear cadenas de moléculas de glucosa conocidas como glicógeno- Cuando el Sol se retira, la enzima nitrogenasa del microbio entra en acción, usando la energía almacenada en el glicógeno para fijar el nitrógeno del aire en amoniaco. El hidrógeno se genera como subproducto.

Los dos mecanismos son distintos ya que la fotosíntesis es un proceso aeróbico  – requiere oxígeno – mientras que la fijación del oxígeno, y, por consiguiente, la producción de hidrógeno, sólo pueden tener lugar anaeróbicamente, debido a que el contacto del oxígeno destruye la enzima nitrogenasa. Pero la Cyanothece 51142 logra fijar el nitrógeno incluso en presencia del oxígeno atmosférico, quemando el oxígeno celular para producir energía. Debido a que no está teniendo lugar la fotosíntesis, la bacteria usa su oxígeno celular de forma que la enzima nitrogenasa está de forma efectiva en un entorno mayormente libre de oxígeno.

Reacciones rítmicas

La Cyanothece 51142 tiene un ritmo circadiano natural que le permite ser ‘entrenada’ para producir aún más hidrógeno.

Tras un único ciclo de 12 horas de día y 12 de noche, Pakrasi y su equipo mantuvieron las luces encendidas durante 48 horas consecutivas. Durante este tiempo, los microbios siguieron con su fijación de nitrógeno ‘nocturna’ y la producción de hidrógeno en el periodo que normalmente habría sido oscuro, pero crearon más combustible para el proceso mediante la fotosíntesis. Los investigadores encontraron que, bajo estas condiciones, los microbios ajustaban su capacidad fotosintética para maximizar la fijación del nitrógeno.

La cantidad de hidrógeno producida de esta forma – 150 micro moles por miligramo de clorofila por hora — es el más alto registrado jamás en cianobacterias naturales en condiciones atmosféricas normales, comenta Pakrasi. Si las bacterias se comportasen de la misma forma en un medio de cultivo de un litro, que en el medio de 25 mililitros usado en el experimento, crearían algo más de 900 ml de hidrógeno en 48 horas — el tiempo de duración del experimento.

Ritmo natural alto

“Este es el sistema más efectivo publicado hasta el momento para la producción de hidrógeno”, dice Oliver Lenz de la Universidad Humboldt en Berlín, que trabaja con la enzima hidrogenasa. En su trabajo, Lenz ha injertado directamente la hidrogenasa en un fotosistema I, una unidad proteica necesaria para la fotosíntesis. Las bacterias naturales no pueden competir con tales sistemas, con el ritmo de producción de hidrógeno en el sistema de Lenz alcanzando volúmenes mayores – 3000 micro moles de hidrógeno por miligramo de clorofila por hora, según Lenz — pero el sistema sigue sin probarse en una configuración natural, y esta es la ventaja del descubrimiento de Pakrasi. “Nunca esperé unos ritmos tan altos para un organismo natural”, añade Lenz. Las aproximaciones sintéticas tales como las de Lenz tienen una vida corta, comenta Pakrasi, a menudo agotando el germen en horas, mientras que las cianobacterias “pueden seguir funcionando durante días”.

Otros organismos aparte de las cianobacterias, tales como el alga Chlamydomonas reinhardtii, también producen hidrógeno a ritmos similares, dice Olaf Kruse de la Universidad Bielefeld en Alemania, que trabaja con la especie. Pero estos otros microbios necesitan unas estrictas condiciones anaeróbicas para su funcionamiento. Kruse está impaciente por ver un escalado del experimento de Pakrasi para comprobar si Cyanothece 51142 funciona igual de bien cuando se cultiva en grandes volúmenes. Pakrasi dice que su equipo está empezando este trabajo, y ya han movido el cultivo de 25 ml a otro de 200 ml con similares resultados.

Por el momento, Cyanothece 51142 tiene pequeñas cantidades de hidrogenasa que consume parte del hidrógeno conforme se produce. Para que la Cyanothece 51142 trabaje mejor, Lenz sugiere modificar genéticamente la bacteria para que contenga una enzima hidrogenasa más eficiente, por lo que se perdería menos hidrógeno.

El trabajo demuestra de lo que es capaz una cianobacteria no modificada, dice Pakrasi. Hay al menos otras 10 cepas de Cyanothece, y Pakrasi espera que funcionen de forma similar. “Se puede – y debemos – aumentar el ritmo haciendo modificaciones genéticas en el sistema”, señala.


Referencias:
1. Bandyopadhyay, A., Stöckel, J., Min, H., Sherman, L. A. & Pakrasi, H. B. Nature Commun. doi:10.1039/ncomms1139 (2010).

Autor: Katharine Sanderson
Fecha Original: 14 de diciembre de 2010
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