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Las bacterias cable como generadores de electricidad natural

La electricidad se basa en un constante movimiento de electrones que, en nuestro caso y de manera cotidiana, circula a través de un cable eléctrico. Este cable está compuesto de un conductor, que se encarga de canalizar el flujo de electrones, y un aislamiento, que evita que se escape el flujo del conductor. Sin embargo, esta electricidad es producto de la obra humana, ya que manipulamos esos electrones para que lleguen a los enchufes de nuestras casas.

Pero, ¿y si realmente existen formas de vida que pueden funcionar cómo cables eléctricos? Pues en eso consiste este artículo, en el que descubriremos qué son las bacterias cable, cómo se produce la conducción de electrones a través de estas bacterias y qué aplicaciones podrían surgir de esta maravilla estructural bacteriana. Por tanto, la pregunta que deberíamos cuestionarnos sería: ¿podría reemplazar en un futuro la Electromicrobiología parcialmente el sistema imperante que existe hoy en día?

Bacterias cable como estructuras dinámicas

Descubrimiento y definición de la Electromicrobiología

El descubrimiento de nuevas formas de vida suele ser por curiosidad por la naturaleza o por casualidad. En este caso, en la universidad danesa de Aarhus, se observaron las bacterias cable a través del microscopio como una cadena interconectada de células con una longitud de varios centímetros. Hasta entonces, solo se conocía este proceso biológico a una escala de nanómetros o micrómetros. Estas bacterias tenían la capacidad de funcionar como un cable eléctrico viviente y fue un descubrimiento fascinante con un fuerte potencial biotecnológico.

Cables bacterianos observados a través del microscopio. En la imagen se evidencia cómo las bacterias cable se unen entre ellas para permitir la formación del cable.
Cables bacterianos observados a través del microscopio. En la imagen se evidencia cómo las bacterias cable se unen entre ellas para permitir la formación del cable. Imagen tomada de «Cable bacteria: Living electrical wires with record conductivity«.

Por tanto, los cables bacterianos se componen de microorganismos multicelulares (hasta más de 10000 bacterias por cable) capaces de transportar electrones de célula a célula a lo largo de esta estructura filamentosa de varios centímetros. Estas bacterias viven en la superficie marina, en aguas dulces y en sedimentos acuíferos, y pertenecen a la familia Desulfobulbaceae. Estos cables bacterianos parecen tener una influencia muy importante en la regulación del suelo de nuestro planeta, por lo que son de gran interés para el medio ambiente.

Estructura y funcionamiento

La estructura de las bacterias cable parece ser distinta con respecto a la de otros microorganismos filamentosos. Por norma general, la bacteria posee un medio interno denominado citoplasma, en el que se sitúa el material genético (ADN), y una cubierta celular. Esta cubierta celular está formada por características crestas (ridge compartments) situadas entre una membrana externa y una membrana interna, cuyo espacio se denomina periplasma. También incluye una capa de peptidoglucano, el componente más característico de las bacterias, y la red conductora de electrones.

Por tanto, en estas crestas encontramos fibras que conforman una red de conexiones con el nodo central, a la que llamaremos red fibrosa. Hay dos hipótesis sobre esta red fibrosa. Una consiste en que esta red fibrosa proporciona la rigidez necesaria para que los cables no colapsen en el medio ambiente, mientras que la otra propone que se trata de una red eléctrica que permite la conducción de electrones a través de los cables bacterianos. Por último, para unificar a todas las bacterias en un único cable bacteriano, se necesitan uniones. A estas uniones se les denomina «uniones tipo rueda» por su similitud a una rueda de un carro.

Estructura de los cables bacterianos. En A se observan los elementos que conforman las bacterias cable, especialmente destacando las crestas. En B se evidencian claramente las conexiones entre el nodo central y las fibras mencionadas anteriormente. Por último, en C tendríamos la estructura global de los cables bacterianos tras llevarse a cabo las uniones entre bacterias cable.
Estructura de los cables bacterianos. En A se observan los elementos que conforman las bacterias cable, especialmente destacando las crestas. En B se evidencian claramente las conexiones entre el nodo central y las fibras mencionadas anteriormente. Por último, en C tendríamos la estructura global de los cables bacterianos tras llevarse a cabo las uniones entre bacterias cable. Imagen tomada de «The Cell Envelope Structure of Cable Bacteria» de Cornelissen et al. (2018).

Ahora bien, ¿cómo es posible la formación del filamento? Para ello, al igual que ocurre en nuestras células, las bacterias necesitan dividirse para generar nuevas bacterias hijas. El ciclo que siguen las bacterias para originar nuevos componentes consiste en principalmente cuatro fases: elongación celular, crecimiento e inicio de la división, formación del «divisoma» y separación de las bacterias hijas.

Ciclo celular de las bacterias cable. La elongación consiste en el crecimiento de la cubierta celular de manera longitudinal. Tras ella, la copia del material genético se lleva a cabo que se dispersará a ambas células hijas para que sean idénticas a la madre. A continuación, se deja espacio para que el divisoma se forme, que será el futuro tabique que separe a las bacterias. Por último, se produce la final separación de las células hijas mediante la formación de los últimos componentes (membranas externa e interna y capa de peptidoglucano) de la cubierta celular. Cabe destacar que la formación de las estructuras tipo rueda precursoras de las uniones es fruto de la modificación de la cubierta durante la división.
Ciclo celular de las bacterias cable. La elongación consiste en el crecimiento de la cubierta celular de manera longitudinal. Tras ella, la copia del material genético se lleva a cabo que se dispersará a ambas células hijas para que sean idénticas a la madre. A continuación, se deja espacio para que el divisoma se forme, que será el futuro tabique que separe a las bacterias. Por último, se produce la final separación de las células hijas mediante la formación de los últimos componentes (membranas externa e interna y capa de peptidoglucano) de la cubierta celular. Cabe destacar que la formación de las estructuras tipo rueda precursoras de las uniones es fruto de la modificación de la cubierta durante la división. Imagen modificada de «Cell Cycle, Filament Growth and Synchronized Cell Division in Multicellular Cable Bacteria» de Geerlings et al. (2021).

Conducción de electrones a través de las bacterias

Ya sabemos que los electrones viajan a través de las crestas del filamento, pero debe haber una fuente en el agua marina o dulce que aporte esos electrones. Se ha descubierto que estas bacterias obtienen esos electrones a través de sulfuros, concretamente el sulfuro de hidrógeno (H2S). Este proceso, conocido como oxidación del sulfuro, genera electrones libres en las bacterias que captan esta molécula. Tras ello, viajan a través de las uniones interbacterianas hasta llegar al final del filamento. Estas últimas bacterias los combinan con oxígeno (O2) y generan agua (H2O), cuyo proceso (reducción del oxígeno) genera energía que puede ser aprovechada para diferentes funciones bacterianas.

En la conducción de electrones de manera natural y también artificial, existen dos componentes principales: el ánodo (+) y el cátodo (-). El ánodo es la parte que aporta/suministra los electrones, mientras que el cátodo los recibe, siendo una conducción unidireccional. En el caso de los cables bacterianos, los electrones se generan en la parte anódica gracias a la oxidación del sulfuro y se incorporan a las fibras de la red eléctrica.

Recientemente, se ha descubierto que son proteínas que contienen níquel (un metal conductor) las que permiten su conducción. Tras ser transportados célula a célula llegan a la zona catódica, lugar donde ocurre la reducción del oxígeno. La idea es, por tanto, que esta «electricidad» consiste en que los electrones que se cogen del sulfuro se transportan por la red eléctrica fibrosa hasta que son captados por el oxígeno.

Transporte de electrones a través de las bacterias cable. Se definen tres zonas principales: zona sulfídica, zona subóxica y zona óxica. La oxidación del sulfuro se produce en la zona sulfídica (ánodo), mientras que la reducción del oxígeno se produce en la zona óxica (cátodo). A la zona intermedia del filamento, donde hay cantidades limitadas de sulfuro y oxígeno, se le conoce como zona subóxica. El transporte se produce a través de las fibras conductoras que se encuentran entre la membrana externa y el periplasma de las bacterias cable.
Transporte de electrones a través de las bacterias cable. Se definen tres zonas principales: zona sulfídica, zona subóxica y zona óxica. La oxidación del sulfuro se produce en la zona sulfídica (ánodo), mientras que la reducción del oxígeno se produce en la zona óxica (cátodo). A la zona intermedia del filamento, donde hay cantidades limitadas de sulfuro y oxígeno, se le conoce como zona subóxica. El transporte se produce a través de las fibras conductoras que se encuentran entre la membrana externa y el periplasma de las bacterias cable. Imagen hecha por Pablo Escribano Fernández a través de BioRender.

Sabiendo esta terminología podemos entender cómo se produce la extensión del propio filamento. Esta no se lleva a cabo de manera polarizada, es decir, desde uno de los extremos, sino en la zona subóxica. Esto indica que la mayoría de las bacterias que constituyen el cable bacteriano pueden dividirse para aumentar su longitud. Por ello, se piensa que las bacterias que generan electrones no pueden obtener energía para crecer y dividirse, sino que los aportan para que las bacterias de la zona subóxica lo hagan. Además, esta división se produce de manera sincronizada, de manera que una señal la activa. A día de hoy, se cree que es el oxígeno la señal de disparo para que estas células se dividan.

Sentido evolutivo y aplicaciones

Desde un punto de vista evolutivo, la pregunta que deberíamos plantearnos es: ¿para qué podrían servir estos cables bacterianos? Estas estructuras han surgido del establecimiento de interacciones entre múltiples células que, en un principio, funcionaban de manera independiente y suficiente. Sin embargo, el trabajo en equipo a lo largo de la evolución ha servido en gran parte para asegurar la supervivencia de las especies, es decir, tiene un papel evolutivo. Por eso, los humanos podemos realizar una gran cantidad de procesos, como andar, comer, respirar, latir…, de manera consciente e inconsciente gracias a la multicelularidad. Las bacterias cable también buscan la supervivencia y el crecimiento de su especie y, por ello, se asocian para formar cables bacterianos.

Aunque se desconocen la mayoría de sus finalidades, los científicos apuntan a que la formación de estos cables permiten una división de tareas grupal. Puesto que las bacterias que se encuentran en la zona sulfídica tienen acceso al sulfuro, estas proveen al resto del filamento de los electrones necesarios para impulsar la generación de energía. Las bacterias de la zona óxica tienen la capacidad de generar energía (no materia) a través de la reducción del oxígeno, por lo que la aportan parcialmente al filamento hasta que mueren.

Mientras, las bacterias de la zona subóxica parecen ser cruciales, ya que generan energía, asimilan nutrientes esenciales para el crecimiento del filamento y sustituyen a las bacterias de la zona óxica que ya no pueden funcionar. Para entender este mecanismo, debemos considerar que estos roles que desempeñan las bacterias pueden fluctuar en función de las condiciones energéticas de la bacteria. Por ejemplo, si una bacteria posee suficientes reservas energéticas, esta puede migrar a la zona sulfídica para llevar a cabo la oxidación del sulfuro.

El potencial de estas bacterias en la industria tecnológica es alucinante y, por ello, ya se ha empezado a reflexionar sobre qué aplicaciones podría aportar el conocimiento de los cables eléctricos bacterianos. Su descubrimiento ha sido toda una sorpresa ya que la conducción de electrones de manera tan eficiente no se había descrito en otras formas de vida. Debido a ello, el uso de materiales biológicos en la industria electrónica podría favorecer el surgimiento de los componentes electrónicos biodegradables.

Esta nueva era de la que se ha hablado podría influenciar positivamente en el problema actual de contaminación del medio ambiente. Sin embargo, hasta la fecha se continúa con la investigación básica, no aplicada, de estas bacterias cable. Aun así, algunos científicos ya han hipotetizado sobre que en unos años tendremos implantes médicos y teléfonos inteligentes equipados con redes eléctricas de origen bacteriano.

Por último, es necesario remarcar que, al estar implicadas en la regulación de los componentes del suelo acuático, estas pueden utilizarse como método de biorremediación. La biorremediación consiste en la utilización de seres vivos para la eliminación de contaminantes fruto de la acción humana. Recientemente se ha planteado la utilización de aparatos electrónicos biorremediadores que contengan bacterias cable. De esta manera, estas bacterias podrían actuar eliminando la sustancia contaminante a la vez que generan electricidad por la oxidación del sulfuro.

Conclusión

Este artículo profundiza en cómo unas diminutas formas de vida pueden transportar electrones de manera natural utilizando sulfuro y oxígeno. Hasta el día de hoy, muy pocas especies de bacterias cable se han descubierto y el conocimiento de estas es limitado. Por tanto, hay mucho camino de estudio y comprensión de estas estructuras por delante, lo que nos podría ayudar a manipular este proceso con un fin artificial. ¿Algún día será posible reemplazar los cables eléctricos artificiales domésticos por cables eléctricos biológicos? Quizá en un futuro no muy lejano pueda resolverse esta incógnita.

Referencias

Cable bacteria: Living electrical wires with record conductivity | https://phys.org/news/2019-09-cable-bacteria-electrical-wires.html

Cornelissen, R. et al. (2018). The Cell Envelope Structure of Cable Bacteria. Frontiers in microbiology9, 3044.

Meysman F. (2018). Cable Bacteria Take a New Breath Using Long-Distance Electricity. Trends in microbiology26(5), 411–422.

Teske A. (2019). Cable bacteria, living electrical conduits in the microbial world. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America116(38), 18759–18761.

Geerlings, N. et al. (2021). Cell Cycle, Filament Growth and Synchronized Cell Division in Multicellular Cable Bacteria. Frontiers in microbiology12, 620807.

Boschker, H. et al. (2021). Efficient long-range conduction in cable bacteria through nickel protein wires. Nature communications12(1), 3996.

Jiang, Z. et al. (2018). In vitro single-cell dissection revealing the interior structure of cable bacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America115(34), 8517–8522.

Bjerg, J. T. et al. (2018). Long-distance electron transport in individual, living cable bacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America115(22), 5786–5791.

Kjeldsen, K. U. et al. (2019). On the evolution and physiology of cable bacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America116(38), 19116–19125.

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Pablo Escribano Fernández

Bioquímico apasionado por la divulgación científica y la investigación aplicada en cáncer y microbiología, pero con ganas de ampliar los horizontes de mi aún limitado conocimiento.

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