Bacterias al rescate: cómo transformar metales tóxicos y producir bioelectricidad

Jessica Cholula Calixto, Katy Juárez López y Alberto Hernández Eligio

Al igual que las personas tenemos preferencia por estilos de ropa, géneros musicales o tipos de comida, las bacterias también tienen preferencias. Desde luego, no hablamos de que elijan qué vestir o escuchen heavy metal, sino que tienen una afinidad o “gusto” especial por ciertos compuestos o moléculas que consumen. En este sentido, podríamos decir que también tienen su “comida” favorita.

Contaminación por metales pesados, un caso particular: el cromo (Cr)

Cuando ocurre una tragedia ambiental, como un derrame de petróleo en el mar o la contaminación de algún río con desechos industriales, solemos pensar que no habría forma de que la vida sobreviva en aquel lugar. Sin embargo, es todo lo contrario. En esos lugares hay microorganismos que son capaces de aprovechar o eliminar los distintos contaminantes, lo cual puede ayudar a limpiar ese ambiente.

Por increíble que parezca, existen bacterias que son capaces de transformar los metales pesados de una forma altamente tóxica, a una que no lo es, gracias a que los usan como aceptores finales de electrones, es decir, pueden utilizar metales para “respirar”, casi de la misma manera como nosotros utilizamos el oxígeno para ello. Pero antes de hablar de lo extraordinarias que son estas bacterias, hablemos de un caso particular de contaminación ambiental causada por el cromo hexavalente o Cr(VI), un metal pesado altamente tóxico [1].

El cromo es un elemento natural que se encuentra presente en los seres vivos, suelo, polvo, rocas y gases volcánicos. En humanos, el cromo es esencial para la dieta, ¡sí, así como lo lees!, desde luego, en pequeñas cantidades. En la naturaleza existen varios estados de oxidación del Cr, pero son dos, el Cr(III) y Cr(VI) las más predominantes. El Cr(III) se encuentra presente en nuestro organismo y es un nutriente esencial y, el Cr(VI) que es muy oxidante, tóxico e inusual en la naturaleza debido a que surge como subproducto de procesos industriales. El Cr(VI) se utiliza en la producción de acero, galvanoplastia, fabricación de tintas, curtido de pieles, se emplea también como refrigerante nuclear y en la fabricación de diversas sustancias químicas.

Como podemos darnos cuenta, el Cr es un elemento fundamental en la industria y desde luego, en la vida diaria. Desafortunadamente, por causa del descuido humano y la falta de pericia al trabajar y disponer de los desechos con Cr(VI), se ha generado una grave contaminación por este metal, afectando a un gran número de ecosistemas, perjudicando no solo a diversas especies de flora y fauna, sino también a la salud del ser humano.

Hechos históricos de contaminación por Cr(VI) y sus efectos en la salud

A continuación, brevemente te contaremos sobre algunos acontecimientos que marcaron la vida de muchas personas a causa de la contaminación por cromo. En México, entre los años 1958-1978, la empresa Cromatos de México emitió alrededor de 75 mil toneladas de residuos industriales de Cr(VI), que fueron arrojados sin control al medio ambiente, siendo utilizados incluso, como relleno en calles de la zona. Esto resultó en que los habitantes de la zona sufrieran graves problemas de salud y como era de esperarse, una severa contaminación del aire y agua [2].

Otro caso más sucedió en el año 1996, en Estados Unidos. Según un reporte de la cadena de televisión CNN, se detectaron niveles peligrosos de Cr(VI) en el agua potable consumida por millones de personas en Hinkley, California. La contaminación por Cr(VI) provenía de una fábrica de gas y electricidad, ocasionando que más de 600 personas presentaran enfermedades derivadas de la exposición al metal. El caso fue tan popular que, en el año 2000, inspiró la película “Erin Brockovich, una mujer audaz”, basada en la historia real de una mujer valiente que denunció y luchó por resolver el problema [3]. Estos ejemplos, muestran lo peligroso que es la exposición al Cr(VI) y las desafortunadas consecuencias de su mala disposición.

Los efectos del Cr(VI) sobre la salud son muchos y muy graves. Es un compuesto cancerígeno, que puede ingresar por inhalación e incluso permanecer en los pulmones durante años, causando cáncer pulmonar. También, puede ingresar por ingestión irritando el tracto digestivo desarrollando úlceras y daños en las células germinales y afectaciones del sistema reproductivo. La Agencia Internacional de Investigación sobre el Cáncer (IARC) de los Estados Unidos, determinó que cualquier compuesto con Cr(VI) se considera carcinógeno [1].

A todo esto, el panorama parece desolador y preocupante y, ¡lo es! Sin embargo, los científicos nos hemos esforzado por desarrollar estrategias y mitigar los efectos contaminantes producidos por el Cr(VI) y otros metales pesados. En ese sentido, la biorremediación se presenta como una tecnología innovadora que aprovecha la capacidad de algunos seres vivos, como las bacterias, para transformar los metales pesados como el Cr(VI) a una forma no tóxica (Cr(III)). A este proceso se le denomina “reducción”. Pudiéramos compararlo a cuando cocinamos algo: utilizamos algunos ingredientes para transformarlos en un exquisito y delicioso platillo. Las bacterias lo hacen transfiriendo sus electrones -que son productos de su metabolismo- a los metales pesados, cambiando su estado de oxidación (es una forma de llevar la cuenta de cuántos electrones ha ganado o perdido un átomo al formar un compuesto, comparado con su estado neutro). Entre las bacterias más eficientes en reducir metales destacan las del género Geobacter (Figura 1).

¿Por qué Geobacter sulfurreducens es muy eficiente en reducir metales?

Esta bacteria posee una gran cantidad de proteínas, llamadas “citocromos tipo-c”, que contienen grupos hemo, como la hemoglobina humana, y que están involucradas en la detoxificación o inactivación de substancias tóxicas para la célula, “acarreando” o “llevando” los electrones hacia muchas sustancias, incluyendo a los metales pesados.

Geobacter sulfurreducens produce una estructura filamentosa que emana de la célula llamada “pili” y, aunque muchas bacterias los presentan, el de Geobacter es especial, porque es de tipo electroconductivo, es decir, conducen electricidad. Analógicamente, lo podríamos ver como un nanocable biológico, el cual es capaz de conducir y transferir electrones. Este nanocable le ayuda a la bacteria a reducir metales a largas distancias y para producir electricidad cuando se crece en dispositivos del tipo “celdas de combustible microbianas” [4]. En estos dispositivos, Geobacter “come” residuos orgánicos y, al hacerlo, liberan electrones que pueden capturarse para generar energía eléctrica (Figura 2).

En nuestro laboratorio, hemos estudiado cómo Geobacter sulfurreducens controla y produce las proteínas involucradas en la reducción de metales y producción de electricidad. Descubrimos que en Geobacter sulfurreducens, las proteínas reguladoras llamadas “GSU1771” y “CsrA”, controlan en parte la producción de citocromos tipo-c y del pili. Gracias a esos estudios, hemos generado bacterias “mejoradas” y que llegan a reducir Cr(VI) a Cr(III) hasta 5 veces más rápido que la bacteria original (o silvestre). ¡Y no solo eso! Cuando crecemos a estas bacterias mejoradas en celdas de combustible microbianas, para producir electricidad, encontramos que pueden producir entre 40-50% más bioelectricidad que la bacteria silvestre.

Otra característica interesante de estas “superbacterias” es que forman comunidades microbianas llamadas “biopelículas” que tiene aplicaciones biotecnológicas en el tratamiento de aguas residuales y en la producción de bioenergía. Actualmente, estamos estudiando otros procesos celulares que son controlados por las proteínas “GSU1771” y “CsrA”, lo que nos permitirá entender bien su función en esta bacteria y así poder usarla en procesos tecnológicos para mitigar los efectos nocivos de la contaminación generada por los metales pesados, como el Cr(VI), a la vez que se puede producir energía verde, sin generar contaminación ambiental.

Cada día la ciencia ha tratado de buscar soluciones viables y sostenibles para eliminar los efectos tóxicos de contaminantes por metales pesados. Aunque existen muchos desafíos, los avances en el estudio de las bacterias reductoras de metales como Geobacter sulfurreducens nos acercan a un futuro donde podamos restaurar los ecosistemas dañados y proteger el bienestar de todos los seres vivos.

Referencias

1. Resúmenes de Salud Pública – Cromo (Chromium). (septiembre de 2012). Agency for Toxic Substances and Disease Registry. https://www.atsdr.cdc.gov/es/phs/es_phs7.pdf
2. Castro Díaz, J. (2 de febrero de 2009). A 30 años del cierre de Cromatos de México. 60 mil toneladas que aún nos envenenan. La Jornada Ecológica. https://www.jornada.com.mx/2009/02/02/eco-c.html
3. Scutti, S. (21 de septiembre de 2016). El químico de Erin Brockovich está en el agua de EE.UU., según reporte. CNN Salud. https://cnnespanol.cnn.com/2016/09/21/el-quimico-de-erin-brockovich-esta-en-el-agua-de-ee-uu-segun-reporte
4. Cornejo Martell, A., Hernández Eligio, J. A., Juárez López, K. 2019. Limpiando el ambiente y generando energía. Biotecnología en Movimiento 3(17). https://biotecmov.ibt.unam.mx/services/pdfDownloader.php?id=MTcqKl8qKjM=

Lecturas recomendadas

Artículos previos de nuestro grupo de investigación, publicados en Biotecnología en Movimiento:

1. Lara Figueroa, P., Flores Gallegos, F., Juárez López, K. 2019. Superbacterias contra el dañino cromo hexavalente. Biotecnología en Movimiento 5(17). https://biotecmov.ibt.unam.mx/services/pdfDownloader.php?id=MTcqKl8qKjU=
2. Hernández Eligio, J. A., Juárez López, K. 2016. De señales, respuestas y bioelectricidad. Biotecnología en Movimiento 1(6). https://biotecmov.ibt.unam.mx/services/pdfDownloader.php?id=NioqXyoqMQ=