Los científicos han mejorado con éxito el cultivo de un microorganismo que puede fijar nitrógeno (N2) mientras produce metano (CH4) y amoníaco (NH3) e investigaron detalles interesantes de su metabolismo.

El carbono y el nitrógeno son elementos esenciales para la vida. Algunos organismos ocupan posiciones clave para el ciclo de ambos, entre ellos Methanothermococcus thermolithotrophicus. Detrás del nombre complicado se esconde un microbio complicado. M. thermolithotrophicus es un metanógeno marino amante del calor. Vive en los sedimentos oceánicos, desde las costas arenosas y marismas saladas hasta las profundidades marinas, preferentemente a temperaturas en torno a los 65 ºC. Es capaz de convertir nitrógeno (N2) y dióxido de carbono (CO2) en amoníaco (NH3) y metano (CH4) mediante el uso de hidrógeno (H2). Ambos productos, amoníaco y metano, son muy interesantes para aplicaciones biotecnológicas en la producción de fertilizantes y biocombustibles.

Tristan Wagner y Nevena Maslać del Instituto Max Planck de Microbiología Marina ahora han logrado cultivar este microbio en un fermentador, un esfuerzo desafiante. «Es muy complicado proporcionar las condiciones perfectas para que este microbio prospere mientras se fija N2 : altas temperaturas, sin oxígeno y vigilando los niveles de hidrógeno y dióxido de carbono», dice Maslać, quien llevó a cabo la investigación como parte de su doctorado. proyecto. «Pero con un poco de ingenio y perseverancia, logramos que prosperaran en nuestro laboratorio y alcanzaran las densidades celulares más altas reportadas hasta ahora». Una vez que los cultivos estuvieron en funcionamiento, los científicos pudieron investigar la fisiología del microbio en detalle y luego profundizar su estudio al observar cómo el metabolismo del microbio se adapta a la fijación de N2. «En estrecha colaboración con nuestros colegas Chandni Sidhu y Hanno Teeling, combinamos pruebas fisiológicas y transcriptómica diferencial, lo que nos permitió profundizar en el metabolismo de M. thermolithotrophicus», explica Maslać.

Tan improbable como un abejorro

Las capacidades metabólicas de M. thermolithotrophicus son desconcertantes: estos microbios utilizan la metanogénesis, un metabolismo que se originó en la Tierra anóxica temprana, para adquirir su energía celular. En comparación con los humanos que usan oxígeno para transformar la glucosa en dióxido de carbono, los metanógenos obtienen solo una cantidad muy limitada de energía de la metanogénesis. Paradójicamente, la fijación de nitrógeno requiere cantidades gigantescas de energía, lo que las agotaría. «Son un poco como los abejorros, que teóricamente son demasiado pesados ​​para volar, pero obviamente lo hacen, sin embargo», dice el autor principal Tristan Wagner, líder del grupo de Metabolismo Microbiano del Grupo de Investigación Max Planck. «A pesar de tal limitación de energía, incluso se ha descubierto que estos fascinantes microbios son los principales fijadores de nitrógeno en algunos entornos».

Una nitrogenasa robusta

La enzima que utilizan los organismos para fijar el nitrógeno se llama nitrogenasa. Las nitrogenasas más comunes requieren molibdeno para realizar la reacción. La molibdeno nitrogenasa está bien estudiada en bacterias que viven como simbiontes en las raíces de las plantas. Su nitrogenasa puede ser inhibida por tungstato. Sorprendentemente, los científicos de Bremen descubrieron que M. thermolithotrophicus no se ve afectado por el tungstato mientras crece en N2. «Nuestro microbio solo dependía del molibdeno para fijar el N2 y no le molestaba el tungstato, lo que implica una adaptación de los sistemas de adquisición de metales, haciéndolo aún más robusto para diferentes aplicaciones potenciales», dice Maslać.

Repensar la producción de amoníaco

La fijación de nitrógeno, es decir, la obtención de nitrógeno a partir de N2, es el principal proceso para insertar nitrógeno en el ciclo biológico. Para la producción de fertilizantes industriales, este proceso se lleva a cabo mediante el proceso Haber-Bosch, que fija nitrógeno artificialmente para producir amoníaco con hidrógeno a altas temperaturas y presiones. Se utiliza para producir la mayor parte del amoníaco del mundo, un fertilizante esencial para sustentar la agricultura mundial. El proceso Haber-Bosch requiere mucha energía : consume el 2 % de la producción mundial de energía y, al mismo tiempo, libera hasta el 1,4 % de las emisiones globales de carbono. Por lo tanto, la gente está buscando alternativas más sostenibles para producir amoníaco. “El proceso utilizado por M. thermolithotrophicus muestra que en el mundo microbiano todavía existen soluciones que podrían permitir una producción más eficiente de amoníaco, y que incluso se pueden combinar con la producción de biocombustibles a través del metano”, dice Wagner. “Con este estudio, entendimos que, en condiciones de fijación de N2, el metanógeno sacrifica su producción de proteínas para favorecer la captura de nitrógeno, una estrategia particularmente inteligente de reasignación de energía”, resume Wagner. «Nuestro próximo paso será pasar a los detalles moleculares del proceso y las enzimas involucradas, así como observar otras partes del metabolismo del organismo».