Descubren una bacteria volcánica que necesita metales raros para sobrevivir

Los volcanes son ecosistemas de gran interés para la biología, ya que en ellos se encuentran microorganismos extremófilos , adaptados a la vida en condiciones extraordinarias. Además de lo mucho que estos microbios pueden revelar sobre las fronteras de la bioquímica, su naturaleza los convierte en modelos a estudiar de cara a la búsqueda de vida en otros planetas donde las condiciones ambientales sean muy diferentes a las terrestres.

El microbiólogo Huub Op den Camp, de la Universidad Radboud en Nijmegen (Países Bajos), se dedica a investigar el metabolismo de las bacterias que viven en medios extremadamente ácidos. En 2007, Op den Camp y sus colaboradores aislaron una nueva especie en una poza de barro hidrotermal en el cráter de Solfatara (Italia), un volcán nacido en la famosa erupción que sepultó Pompeya en el año 79. La nueva bacteria, que los científicos describieron ese mismo año en la revista Nature, prefiere temperaturas de 50 a 60 grados centígrados y medios muy ácidos, con pH entre 2 y 5; incluso tolera niveles de pH inferiores a 1, equivalentes al ácido sulfúrico concentrado. M. fumariolicum es una bacteria metanotrofa : se alimenta de gas metano para obtener energía.

De vuelta en el laboratorio, los científicos no lograban que la bacteria creciera adecuadamente con los medios de cultivo habituales; como si echara de menos su hogar, el microbio solo proliferaba cuando se le añadía agua de su poza original. El reto para los investigadores era descubrir cuál era el ingrediente clave de aquel caldo.

“Eventualmente, aquello se convirtió en una búsqueda de seis años”, recuerda Op den Camp. “Primero dilucidamos si era un compuesto orgánico o inorgánico. Después de calentar el agua de la poza a temperaturas muy altas, el efecto estimulador todavía estaba presente. Esto apuntaba claramente hacia un mineral inorgánico”, añade.

En paralelo, y siguiendo su línea de investigación preferente, el microbiólogo se dedicó a estudiar la enzima metanol deshidrogenasa de la bacteria. Esta proteína permite a los microbios metanotrofos obtener su energía a partir del metanol, el alcohol producido en la descomposición del metano. Como otras muchas enzimas, la metanol deshidrogenasa necesita un cofactor, un elemento no proteico esencial para su actividad. Por ejemplo, algunas vitaminas que tomamos en la dieta actúan como cofactores de nuestras enzimas. En el caso de la metanol deshidrogenasa, la mayoría de las bacterias emplean el calcio como cofactor.

La investigación de la estructura tridimensional de la enzima corrió a cargo de Thomas Barends y Andreas Dietl, del Instituto Max Planck de Investigación Médica en Heidelberg (Alemania). Cuando estos expertos analizaron la molécula, descubrieron que no contenía calcio, sino otro misterioso elemento de naturaleza desconocida. Un cofactor encaja en su lugar en la enzima como una llave en una cerradura; el átomo de calcio era demasiado pequeño para el hueco de la enzima. “Incluso llevé vitaminas y preparados minerales de mi casa, pero ninguno mostraba efecto estimulador”, afirma Op den Camp.

Esquema del sitio activo de la enzima metanol deshidrogenasa de la bacteria Methylacidiphilum fumariolicum, donde se inserta el átomo de cerio necesario para su actividad. Otras bacterias utilizan calcioMPI f. Medical Research/Barends

Los investigadores contaban con una pista extraña: el agua de la poza de Solfatara presentaba niveles de tierras raras entre cien y mil veces mayores de lo normal. Las tierras raras comprenden los llamados lantánidos, 15 metales arrinconados en la tabla periódica y cuya escasa solubilidad en agua les impide participar en el metabolismo. Son raros en los seres vivos, pero no en la naturaleza; de hecho, algunos son tan abundantes en la corteza terrestre como el cobre, pero se encuentran tan dispersos que es difícil localizar yacimientos aprovechables. Hoy algunos de estos elementos se cotizan a precios elevados porque se utilizan en dispositivos de alta tecnología como teléfonos móviles, ordenadores, pantallas, altavoces e incluso generadores eólicos.

El análisis de metales de la metanol deshidrogenasa purificada apuntaba, en efecto, a los lantánidos. “De repente, todo encajaba”, señala Barends. “Logramos demostrar que este átomo misterioso tenía que ser una tierra rara. Es la primera vez que se descubre una función biológica semejante para estos elementos”.

Almacena reservas

La bacteria puede emplear cerio, lantano, praseodimio o neodimio para su metanol deshidrogenasa. “Probamos varios lantánidos y vimos que el cerio era el que más estimulaba el crecimiento”, precisa Op den Camp. “Añadiendo lantánidos al agua del grifo de Nijmegen, pudimos simular el agua volcánica de la poza de barro que necesitábamos para sostener un buen crecimiento. Después de seis años, el misterio estaba resuelto”. Los científicos descubrieron además que M. fumariolicum tiene la costumbre de ingerir más cantidad de lantánidos de la que necesita, por lo que posiblemente almacena reservas.

Según el estudio publicado por los investigadores en la revista Environmental Microbiology, el radio atómico de los lantánidos es mayor que el del calcio, como corresponde al hueco en la enzima de la bacteria. “En la metanol deshidrogenasa de esta bacteria se han sustituido algunos aminoácidos, lo que deja más espacio para el metal”, dice Barends. Curiosamente, análisis posteriores muestran que esta versión alterada de la enzima está extendida entre otras bacterias que viven en aguas costeras e incluso en las hojas de las plantas, que pueden captar y concentrar tierras raras y así asegurar el suministro a las bacterias. Según Barends, “estas bacterias pueden estar presentes en cualquier lugar en el que haya arena, ya que esta es una fuente casi inagotable de tierras raras”.

Después de todo, la presencia de las tierras raras en el metabolismo de los seres vivos puede no ser tan rara. “Es muy especial que el cerio haya resultado ser un elemento esencial para la vida de nuestra bacteria volcánica, pero este hallazgo también puede ayudar a descubrir otras bacterias hasta ahora desconocidas”, sugiere Op den Camp. “En el pasado, cuando tratábamos de cultivar bacterias, los lantánidos jamás se añadían al medio, lo que pudo impedir que crecieran algunas que necesitan estos compuestos. Probando muestras de muchos ecosistemas diferentes, ahora en medios con lantánidos, podremos descubrir nuevas especies”.

Otra posible aplicación del hallazgo es la biominería , empleando estas bacterias como diminutos mineros encargados de c osechar y acumular estas tierras raras para su uso en dispositivos electrónicos. Sin embargo, Op den Camp aún ve lejano este objetivo: “Las bacterias necesitan cantidades muy pequeñas. Se necesitaría un gran aumento de su capacidad de ingesta para utilizarlas en biominería, y para eso primero tendremos que comprender los sistemas de transporte implicados”.