Los organismos microscópicos conocidos como extremófilos habitan algunos de los últimos lugares de la Tierra en los que podría esperar encontrar vida, desde las presiones extremas del fondo del océano hasta los casquetes polares helados. Comprender cómo sobreviven estos microbios al interactuar con diferentes metales y gases está abriendo nuevos conocimientos sobre los elementos de la Tierra y sus usos potenciales.

Uno de esos hábitats extremos son los volcanes de lodo, por lo general estructuras en forma de cono o piscinas que descargan lodo burbujeante, así como vapor y gases como metano y dióxido de carbono.

Más de 1, 000 volcanes de lodo, que a menudo se asocian con las llamadas zonas de subducción, donde una placa tectónica es forzada debajo de otra, y puede ser extremadamente ácido, hasta ahora se han encontrado en tierra o cerca de ella.

Algunos investigadores han estado buscando obtener más información sobre las comunidades microbianas que contienen estos volcanes de lodo y su papel en el ciclo de gases y otros elementos. incluido el metano, hidrógeno, amoniaco y azufre.

En Italia, un proyecto llamado VOLCANO investigó microbios que viven en charcos de lodo altamente ácido en el cráter del volcán inactivo Solfatara cerca de Nápoles y en una isla volcánica en el norte de Sicilia llamada Vulcano, que originalmente dio su nombre a la palabra 'volcán' y es famoso por sus baños de barro y aguas termales.

Profesor Huub Op den Camp, microbiólogo de la Universidad Radboud en Nijmegen, Los países bajos, e investigador principal de VOLCANO, dice que los investigadores descubrieron 'por casualidad' un tercer sitio de exploración:la isla volcánica de Pantelleria, al oeste de Sicilia. Esto ocurrió cuando se encontraron con otros investigadores que habían encontrado evidencia molecular que sugería que Pantelleria estaba caliente, El suelo ácido contenía bacterias relacionadas con las de los charcos de lodo e involucradas en el ciclo de los mismos gases.

Estos hábitats, como fuente importante del potente gas de efecto invernadero metano, ahora están proporcionando pistas valiosas sobre el cambio climático, además de tener aplicaciones potenciales en tecnologías verdes como biocombustibles y reciclaje de metales en dispositivos electrónicos.

Extraños elementos de la Tierra

Una de las inspiraciones clave de VOLCANO estuvo relacionada con los llamados elementos de tierras raras (REE), un grupo de 17 elementos metálicos químicamente similares que de hecho abundan en la corteza terrestre a pesar de su nombre.

Más temprano, El equipo del profesor Op den Camp había descubierto que los REE eran una parte esencial del metabolismo en Methylacidiphilum fumariolicum SolV, un microbio amante de los ácidos que se encuentra en un volcán de lodo de Solfatara que puede vivir a niveles extremos de pH por debajo de 1 y obtiene su energía del consumo —u oxidación— del metano.

Fue la primera vez que se identificaron los REE como una condición para la vida en un organismo, después de haber pensado previamente que no estaba involucrado en procesos biológicos. Cerio, el más abundante de los 15 REE conocidos como lantánidos, parecía ser el principal en estimular el crecimiento entre varios de los investigadores evaluados.

"Era un metal completamente desconocido para estar activo en la vida. Descubrimos que hay una enzima (un catalizador biológico) en estas bacterias que contiene este metal como cofactor, y sin este lantánido el organismo no puede funcionar, ", dijo el profesor Op den Camp. Él dice que su descubrimiento sobre las REE ha llevado a un 'campo de investigación en auge' sobre tales procesos en extremófilos.

También se ha hecho evidente que el uso de REE entre las bacterias en general es mucho más común de lo que se pensaba anteriormente. incluso en hábitats no volcánicos de lodo. El equipo del Prof. Op den Camp encontró, por ejemplo, que dos nuevos organismos oxidantes de metano de los sedimentos del Mar del Norte contenían enzimas dependientes de lantánidos, mientras que una revisión que llevaron a cabo destacó el crecimiento en la investigación que utiliza REE para cultivar microbios que antes se consideraban no cultivables.

Además de averiguar cómo cultivar estos microbios en el laboratorio, los hallazgos ayudan a descubrir otros nuevos. "Ahora, cada vez más personas están aislando bacterias que dependen estrictamente de los lantánidos, ", dijo el profesor Op den Camp.

Aplicaciones

Todo esto tiene potencialmente muchos usos. Si podemos aprender a aislar grandes cantidades de estos elementos de las bacterias, Podríamos utilizar este conocimiento para extraer y reciclar metales de teléfonos móviles y otros dispositivos electrónicos, que contienen REE como cerio, lantano y neodimio. Esto puede ser útil a largo plazo porque estos elementos son difíciles de extraer y extraer de forma económica. además de ser finito.

Ser capaz de manipular los lantánidos también podría ayudar a la producción de biogás respetuoso con el medio ambiente. como el metanol verde. Durante el cultivo de M. fumariolicum, los investigadores pudieron producir metanol a partir de metano restringiendo los lantánidos como un insumo que, de otro modo, ayudaría a transformar el metanol en formaldehído.

Mientras tanto, El equipo descubrió que la misma bacteria puede eliminar las pequeñas trazas de gas hidrógeno de la atmósfera, donde está presente en solo 0,5 partes por millón de moléculas de gas, para utilizarlas como fuente de energía además del metano. El profesor Op den Camp dice que la energía extra obtenida del hidrógeno podría ayudar a las bacterias a oxidar más metano.

"Quizás ambos metabolismos (del hidrógeno y el metano) se ayuden entre sí también para atrapar concentraciones muy bajas de estos gases, " él dijo, planteando preguntas sobre hasta dónde pueden llegar en la eliminación de los gases traza de la atmósfera.

También refuerza la evidencia de que el metabolismo microbiano del hidrógeno molecular es mucho más común de lo que se pensaba originalmente. dando más pistas sobre el ciclo del hidrógeno en la Tierra. Es más, con el hidrógeno siendo explorado como un combustible verde clave del futuro, El profesor Op den Camp dice que esto podría eventualmente ayudar a impulsar una 'economía del hidrógeno' si el gas puede aislarse de los microbios invirtiendo la actividad de la hidrogenasa. la enzima que consume hidrógeno de la bacteria.

Su equipo también calculó especulativamente si las bacterias podrían usarse en filtros para reducir el metano de las vacas, los principales emisores del gas. Sin embargo, resolvieron que con la tecnología actual, El tamaño del filtro debería ser demasiado grande para que sea factible.

Y el profesor Op den Camp también enfatiza que muchas aplicaciones para extremófilos de volcanes de lodo podrían estar muy lejos, con desafíos para mejorar dicha actividad. "Puedes pensar en aplicaciones, pero eso todavía está un poco lejos, "Dijo." También costará mucho dinero llevarlo a gran escala ".

Pero aunque muchas aplicaciones pueden tardar un tiempo, El profesor Op den Camp dice que la investigación contribuye a mejorar gradualmente la comprensión de los ciclos fundamentales de los gases en la Tierra que ayudan a nuestro conocimiento del clima. "Este tipo de información es importante para la comprensión futura del ciclo de los elementos que influyen en el clima, " él dijo.

También es útil estudiar estos hábitats extremos porque su biodiversidad relativamente baja los hace menos complejos que otros ecosistemas. explica el profesor Op den Camp, aunque incluso esto puede ser menos simple de lo que se pensaba originalmente. "Todavía traen grandes sorpresas, ", dijo." En el suelo de Pantelleria, también encontramos bacterias productoras de metano, que no esperábamos en absoluto ".

Condiciones duras

Dra. Anna Krüger, consultor en ingeniería genética de la Autoridad para el Medio Ambiente, Clima, Energía y Agricultura en Hamburgo, Alemania, ha realizado investigaciones sobre extremófilos en lugares como Vulcano. Ella dice que su antiguo equipo de la Universidad Tecnológica de Hamburgo estaba 'sorprendido' por la cantidad de grupos diferentes de especies que pudieron detectar al secuenciar el ADN de lugares como aguas termales y volcanes de lodo.

Ella dice que las enzimas o 'extremózimas, "que se encuentran en tales microbios son prometedores debido a su capacidad para soportar los tipos de condiciones adversas que se encuentran a menudo en los procesos industriales y tienen el potencial de ayudar a desarrollar biocatalizadores para su uso en la vida cotidiana, como en los detergentes de lavado.

"La biotecnología es un aspecto clave para cambiar nuestra economía de una base de petróleo que consume recursos a una comunidad de base biológica sostenible, " ella añadió.

Saber más sobre por ejemplo, microbios que gustan del calor extremo, ampliaría las oportunidades, dice el Dr. Krüger. "Creo que será un paso importante analizar la dinámica de la comunidad y comprender las interacciones metabólicas completas, ", dijo." Esto permitiría el diseño de especies extremas hechas a medida para la producción de todo tipo de productos químicos, médicos, antibióticos y bioplásticos a temperaturas elevadas ".

También señaló una enzima resistente al calor originalmente aislada de bacterias en las aguas termales del Parque Nacional Yellowstone que ha sido clave durante la pandemia de COVID-19. "La más destacada sigue siendo la polimerasa Taq, que permitió la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), el estándar de oro de nuestras pruebas actuales de SARS-CoV-2, " ella dijo.

Profesor Alexandre Soares Rosado, un microbiólogo ambiental en la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah en Thuwal, Arabia Saudita, también considera que los organismos que han necesitado adaptarse para prosperar en lugares donde la vida ha sido llevada al límite son prometedores para aplicaciones en biotecnología y desarrollo sostenible.

Considera que los extremófilos pueden proporcionar aplicaciones más sostenibles en sectores con un aumento previsto de la demanda de enzimas. como comida y bebida, biocombustibles y alimentación animal.

"Solo recientemente comenzamos a comprender y tener mejores herramientas para desentrañar la diversidad de extremófilos en todo el mundo, "dijo el Prof. Rosado, que está investigando hábitats hostiles en Arabia Saudita, como volcanes activos e inactivos, desiertos y sitios geotérmicos. "Como consecuencia, existe un enorme potencial para las aplicaciones biotecnológicas en el mundo real ".

Volcanes de lodo

Mientras tanto, los propios volcanes de lodo pueden ayudarnos a comprender ecosistemas únicos estrechamente vinculados con la tubería de gases, fluids and sediments from fracture networks that often extend several kilometers down, says Dr. Pei-Ling Wang, a geochemist at the National Taiwan University in Taipei.

They can also bring fundamental knowledge about the climate cycle, ella agrega. "Microbial power in the bubbling mud pools or cone structures and surrounding mud platforms is critical to regulating the flux of greenhouse gases, " said Dr. Wang.

"Methanotrophs (microbes that metabolize methane) living in terrestrial mud volcanoes are critical players for methane consumption. Understanding their physiology, capabilities and distribution can establish a model for their role in greenhouse gas regulation."