De señales, respuestas y bioelectricidad

Dr. José Alberto Hernández Eligio y Dra. Katy Juárez López 

Al estar un rato bajo el sol haciendo un poco de ejercicio o trabajo, tu temperatura corporal se eleva por lo que em- piezas a transpirar. La transpiración es un recurso mediante el cual nuestro cuerpo responde a los cambios de temperatura, y con esto se protege de la deshidratación a los órganos y tejidos.

De manera similar, los microorganismos tienen que responder rápidamente a los cambios del medio ambiente, pues de esto depende su supervivencia. Para lograrlo utilizan una gran variedad de recursos que se encuentran codificados en su información genética, entre los que desta- can los llamados (por los científicos) “sistemas de dos componentes”, que permiten detectar esos cambios a su alrededor. En los microbios, los sistemas de dos componentes consisten básicamente de dos proteínas: una de ellas se localiza en la membrana de la bacteria (la llamada histi- dina cinasa); y la segunda, llamada “regulador de respuesta”, en el interior celular. Las histidina cinasas tienen una función similar a la ejercida por aquellos “vigías” asentados en las torres de los enormes castillos medievales, que consistía en detectar cualquier anomalía y enviar una señal de alerta. Así, las histidina cinasas detectan cambios en el ambiente externo de la bacteria y, ante determinada señal, se activan. La activación se lleva a cabo mediante la adición de un grupo fosfato a su estructura y, así como en las carreras de relevos los corredores se pasan la estafeta, estos vigías dan la señal de alerta al interior de la célula. La señal consiste en la transferencia del grupo fosfato hacia el “regulador de respuesta” imaginemos un general del ejército que recibe instrucciones y toma acción-. Así, el “regulador” actúa sobre el ADN de la bacteria indicando que deben activarse genes para responder al cambio que ocurrió en el exterior.

En nuestro laboratorio estamos interesados en estudiar estos mecanismos de respuesta en bacterias del tipo Geobacteraceas que se en- cuentran presentes en el subsuelo. Pero, ¿qué tiene de interesante estudiar estas bacterias? Las geobacterias participan en procesos bio- geoquímicos importantes, como el reciclaje natural de la materia orgánica y la transformación de los metales.

Consideremos al metabolismo como una serie de transformaciones químicas en el organismo que consta de dos fases, denominadas anabolismo y catabolismo. En el catabolismo, la célula extrae energía principalmente de los azúcares. Las moléculas se van oxidando en cada etapa del catabolismo, de manera que los productos finales son electrones y agua. Las geobacterias son capaces de transferir esos electrones a otras moléculas que se encuentran fuera de la célula: por ejemplo, los óxidos de fierro, que son muy comunes en el subsuelo. En el laboratorio, los electrones también pueden ser transferidos a un elemento conductor que reciba esta corriente eléctrica (electrodo). Esta característica hace a las geobacterias muy interesantes desde el punto de vista ambiental y biotecnológico, pues han sido usadas para “limpiar” sitios contaminados con metales pesados, los cuales suelen ser tóxicos para los organismos vivos. La toxicidad de los metales se reduce o abate al modificar su estado de oxidación; es decir, la cantidad de electrones que posee. Por otro lado, si las bacterias son creci- das en un dispositivo diseñado para recibir los electrones, pueden construirse baterías micro- bianas para producir bioelectricidad.

En los últimos años se han identificado una gran variedad de proteínas responsables de la transferencia de electrones en estas bacterias. Destacan los llamados citocromos, que se localizan en la periferia de la célula y en particular en una estructura conocida como pili (semejan- te a un cabello), que sobresale de su membrana. Se ha descubierto que el pili (formado por una proteína llamada pilina) ¡posee características conductivas! Es decir, funciona como un nanocable que transporta electrones. ¿No es esto increíble y a la vez fascinante? Por lo tanto el pili es esencial en los procesos de transferencia de electrones y producción de bioelectricidad.

En un trabajo reciente, logramos describir a nivel molecular un sistema de dos componentes (“vigía-general”) que funciona de forma muy similar en distintas familias de bacterias.

Aunque todavía se desconoce cuál es la “señal” que este sistema detecta, hemos demostrado que, en respuesta a la señal, la bacteria induce la activación de una gran cantidad de genes. Aún más importante, es que este sistema es el responsable de que se produzca la proteína pilina, por lo que podríamos decir que también determina la presencia del pili y, por lo tanto, es fundamental para la producción de bioelectricidad (ver figura). Pero eso no es todo: por diversos estudios que hemos realizado, sabe- mos que la producción de la pilina en Geobac- ter es controlada por al menos tres diferentes “generales” (reguladores), lo que resulta en un control más estricto. ¿De qué le sirve a la bacteria tener un control tan riguroso? Para los microbios, el responder a una señal determinada del medio ambiente representa un elevado gasto de energía. Si esa señal fuera débil o falsa, y no hubiera varios puntos de control de la respuesta, la célula gastaría energía innecesariamente y que bien pudiera usarse para otros procesos celulares relevantes.

¿Por qué es importante y útil conocer todos estos mecanismos? La manera en la que se han explotado los recursos del planeta está tenien- do graves consecuencias ambientales, tales como el cambio climático ocasionado por el calentamiento global; además, en muchos casos no se ha garantizado un mecanismo adecuado para desechar los metales tóxicos provenientes de diferentes industrias. Por estas razones la humanidad se enfrenta a grandes retos, entre los que se encuentran la búsqueda y generación de fuentes de energías limpias y amigables con el ambiente, libres del uso de combustibles fósiles. También es imprescindible llevar a cabo la limpieza de los suelos y los acuíferos contaminados con metales pesados.

Es por lo antes mencionado que el estudio de microbios con capacidades naturales para transferir electrones a metales pesados y electrodos, nos ayudará en el futuro a reducir el efecto tóxico de algunos metales como uranio o cromo, presentes en ambientes contaminados (lo que se conoce como biorremediación). También contribuirá al diseño y contrucción de dispositivos biológico-electrónicos que generen energía renovable (bioelectricidad), lo que permitiría sustituir la energía generada a partir de combustibles fósiles, disminuyendo así la producción de gases de efecto invernadero. Es cierto que esto parece una labor titánica; sin embargo, los científicos tenemos la convicción de que con empeño y constancia, podremos lograrlo.

Fuente: Revista Biotecnología en Movimiento 

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