Cristales de CODH / ACS obtenidos sin oxígeno. El color marrón proviene de los metales naturales que albergan las proteínas. Crédito:Instituto Max Planck de Microbiología Marina / T. Wagner
Los gases residuales de muchas ramas de la industria contienen principalmente monóxido de carbono y dióxido de carbono. Hoy en día, estos gases simplemente se soplan en nuestra atmósfera, pero esto puede cambiar pronto. La idea es utilizar el poder de las bacterias para convertir los gases de desecho tóxicos en compuestos valiosos como el acetato o el etanol. Estos se pueden utilizar posteriormente como biocombustibles o compuestos básicos para materiales sintéticos. Las primeras plantas de prueba a tamaño real ya están en evaluación, utilizando esta conversión a escala industrial, y las estrellas de estos procesos son las bacterias que devoran el monóxido de carbono, dióxido de carbono y dihidrógeno, entre los cuales Clostridium autoethanogenum es, con mucho, el favorito.
"En este microbio, se han caracterizado las principales líneas del metabolismo utilizadas para operar la conversión de gas, "dice Tristan Wagner, líder del grupo de Metabolismo Microbiano del Instituto Max Planck de Microbiología Marina. "Pero todavía hay muchos interrogantes a nivel molecular". El tema central de los científicos de Bremen:¿Cómo se procesa el monóxido de carbono tóxico por las enzimas con una eficacia tan asombrosa?
Gran sorpresa en un cristal
El conocimiento a nivel molecular de la conversión de monóxido de carbono se deriva de estudios realizados en la especie Moorella thermoacetica. Este es un organismo modelo marino conveniente y bien estudiado, pero exhibe una escasa capacidad para desintoxicar los gases residuales. a diferencia de Clostridium autoethanogenum. Ambas bacterias utilizan la misma enzima para convertir el monóxido de carbono:la CO-deshidrogenasa / acetil-CoA sintasa, abreviado como CODH / ACS. Es una enzima muy común que ya existía en los tiempos primitivos de la tierra. "Dado que ambas especies usan la misma enzima para convertir el monóxido de carbono, esperábamos ver exactamente la misma estructura con eventuales diferencias menores, "dice Wagner.
Para su investigación, Wagner y su colega Olivier N. Lemaire están estudiando la bacteria Clostridium autoethanogenum para comprender cómo puede prosperar en la termodinámica de la vida. utilizando un metabolismo similar al de las primeras formas vivientes. Olivier N. Lemaire cultivó la bacteria y purificó su CODH / ACS en ausencia de oxígeno, que es perjudicial para la enzima. Los dos científicos utilizaron el método de cristalización para obtener cristales de la enzima CODH / ACS y determinar la estructura 3-D de la proteína mediante cristalografía de rayos X. "Cuando vimos los resultados, no podíamos creer lo que veíamos "dice Wagner." La interfaz CODH-ACS de Clostridium autoethanogenum difiere drásticamente del modelo de Moorella thermoacetica, a pesar de que era la misma enzima y bacterias similares ".
El gráfico muestra la bidireccionalidad del complejo CODH / ACS de C. autoethanogenum (CODH en naranja y ACS en violeta). En condiciones quimiolitoautotróficas, la enzima puede transformar el dióxido de carbono (CO2) en monóxido de carbono (CO), secuestrado en un canal de gas (arriba). El CO se convertirá en acetil-CoA, el bloque de construcción de la célula utilizado para obtener energía celular y construir el material celular. Durante el proceso de conversión de gas, el CO liberado por la actividad industrial puede ser utilizado de manera muy eficiente por la CODH / ACS (abajo). Es capturado por los numerosos canales de gas y generará acetil-CoA y energía química al mismo tiempo, permitiendo que la célula haga una vida de CO. Crédito:O. Lemaire y T. Wagner. La imagen sin derechos de autor utilizada se obtuvo de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) y de la fototeca de Pexel (Black Smoker; Oficina de Exploración e Investigación Oceánica de la NOAA, 2016 Exploración en aguas profundas de las Marianas; Fotografía de fábrica de Chris LeBoutillier
Mismos ingredientes, arquitectura diferente
Después, los dos investigadores llevaron a cabo más experimentos para demostrar que la primera estructura no era un artefacto sino la realidad biológica. Los siguientes experimentos confirmaron el modelo inicial. Por lo tanto, el descubrimiento demuestra claramente que es erróneo la suposición anterior de que la enzima CODH / ACS siempre tiene la misma estructura general. "La enzima de Moorella thermoacetica tiene una forma lineal, "explica Olivier N. Lemaire, primer autor del estudio, que fue publicado recientemente en la revista científica BBA Bioenergética . "En Moorella thermoacetica, la enzima produce monóxido de carbono en la CODH y se utiliza en el ACS. Entre ellos, está atrapado y canalizado a través de un canal de gas sellado. ACS finalmente sintetizará acetil-CoA, un bloque de construcción posteriormente procesado en acetato y etanol. El resto de la celda no ve nada de monóxido de carbono ".
Pero Clostridium autoethanogenum absorbe directamente el monóxido de carbono. "En Clostridium autoethanogenum, la enzima CODH / ACS no solo tiene una abertura, pero varios. De esta manera, puede recolectar la mayor cantidad de monóxido de carbono posible y conducirlo a todo un sistema de túneles. operando en ambas direcciones, "dice Lemaire." Estos resultados muestran una reorganización de los túneles de gas internos durante la evolución de estas bacterias, que supuestamente conduce a un complejo bidireccional que asegura un alto flujo de conversión de monóxido de carbono hacia la conservación de energía y la asimilación de monóxido de carbono, actuando como el principal motor celular ". Al final del proceso también se generan acetato y etanol, que se puede utilizar para producir combustibles.
"Ahora tenemos una imagen de cómo se ve esta enzima muy eficiente y robusta, ", dice Tristan Wagner." Pero nuestro descubrimiento es sólo un paso más allá. Entre otras cosas, Todavía es una pregunta abierta cómo la bacteria puede sobrevivir y utilizar el monóxido de carbono para satisfacer todas sus necesidades de energía celular. Tenemos algunas hipótesis pero todavía estamos al principio. Para comprender todo el proceso químico de conversión de monóxido de carbono en acetato y etanol, es necesario estudiar más proteínas ".
