Bio-baterías: crear energía a partir de bacterias

El reloj alimentado con papas es un flashback nostálgico de las lecciones de biología infantil de la mayoría de nosotros, pero un pequeño grupo de científicos cree que generar electricidad a partir de organismos bacterianos podría convertirse en una opción viable.

Nuevos conocimientos sobre la mecánica de un aspecto novedoso de la respiración bacteriana podrían ayudar a acelerar el desarrollo de plantas de energía microbiana capaces de generar electricidad a partir de aguas residuales industriales o sedimentos del fondo marino, y fábricas de bacterias que fabrican productos químicos y combustibles de alto valor utilizando solo energía solar y dióxido de carbono.

Una investigación reciente del equipo del Dr. Tom Clarke en el Departamento de Ciencias Biológicas de la Universidad de East Anglia ha demostrado cómo miles de pequeños cables moleculares incrustados en la superficie de una bacteria llamada Shewanella oneidensis pueden transmitir directamente una corriente eléctrica a minerales inorgánicos como óxidos de hierro y manganeso, o a la superficie de electrodos. El fenómeno, conocido como transferencia extracelular directa de electrones (DEET), ocurre debido a la forma en que algunas bacterias que viven en ambientes que carecen de oxígeno exportan electrones que se generan a través de su ciclo respiratorio. Los ejemplos incluyen Shewanella, y algunas especies de otra bacteria conocida como Geobacter.

La respiración celular ocurre en todos los organismos vivos, e implica una serie cíclica de reacciones químicas que tienen lugar dentro de las células de un cuerpo para convertir la energía bioquímica tomada como alimento o nutrientes en una fuente de energía que las células pueden aprovechar para alimentar todos los procesos bioquímicos que llevan a cabo.

Este proceso genera un exceso de electrones que, en la mayoría de los organismos, se pasan al oxígeno (generando agua como subproducto) o, en el caso de los microbios que viven en un entorno libre de oxígeno, como los sedimentos de lodo, los electrones se pasan a otros iones minerales absorbidos por la célula. Lo que los científicos han descubierto en los últimos años, sin embargo, es que una serie de microorganismos han desarrollado formas de exportar directamente el exceso de electrones de la célula. Lo hacen transportando los electrones a lo largo de pequeños cables moleculares que sobresalen unos 2,5 nm de la superficie celular.

Célula de combustible microbiana

Crecen estas bacterias en un electrodo y de manera efectiva terminan con el ánodo de la mitad de una batería. Acopla este ánodo a un cátodo, alimenta a las bacterias con materia orgánica a base de carbono, por ejemplo, de aguas residuales industriales, y puedes construir una pila de combustible microbiana, o MFC, que genera electricidad, aunque en pequeñas cantidades.

Shewanella oneidensis, una bacteria que prospera en ambientes contaminados por metales pesados, es uno de los organismos que muestra esta capacidad de transporte de electrones, y el trabajo del grupo de Clarke en la UEA, en colaboración con un equipo del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DoE), ha demostrado cómo los cables moleculares de Shewanella pueden transportar electrones fuera de la célula a una superficie adecuada en la que la bacteria está creciendo.

“Los resultados de nuestros experimentos fueron sorprendentes”, afirma el Dr. Clarke. “Estos cables bacterianos son efectivamente como el cableado de una casa. Una corriente fluía hacia atrás y hacia adelante increíblemente rápido, y mucho más rápido de lo que se necesita para la respiración.”

Aprovechar Shewanella como fuente de electricidad a una escala adecuada para volver a arar electricidad en un sistema de red nacional probablemente no sea factible, simplemente porque los organismos no generan suficiente corriente, continúa el Dr. Clarke. Sin embargo, su capacidad de dar electrones a metales y minerales se puede explotar para aplicaciones bioremediales, como la reducción de metales pesados solubles presentes en el suelo a formas insolubles que no pueden filtrarse al agua subterránea. Esta es una de las vías de investigación que los investigadores del Laboratorio del Noroeste del Pacífico están buscando.

Pero lo que es aún más emocionante, afirma, es el potencial de explotar el proceso inverso: volver a colocar electrones en bacterias como Shewanella a través de los cables e ingeniar genéticamente los microorganismos para fabricar compuestos útiles, incluidos combustibles y precursores de polímeros, directamente a partir del dióxido de carbono.

Conocida como electrosíntesis microbiana, esta es básicamente una fotosíntesis artificial, que es la forma en que las plantas generan azúcares a partir de la luz solar, el CO2 y el agua. Pero en lugar de la luz solar en sí, las bacterias aceptarán electrones como fuente de energía, que utilizan para producir compuestos a base de carbono a partir de CO2.

Ya es factible comercialmente “cultivar” algas fotosintéticas como medio de producir compuestos que se pueden convertir en combustibles u otros productos. Sin embargo, como señala Clarke, este enfoque absorbe grandes áreas de tierra y está asociado con la degradación ambiental. Por el contrario, la electrosíntesis microbiana podría explotarse en cualquier lugar donde haya luz solar, mediante el uso de paneles fotovoltaicos para alimentar a las bacterias, y una fuente de agua y gas CO2 (el gas residual industrial servirá muy bien) para alimentar a las bacterias para que puedan fabricar productos a base de carbono.

La electrosíntesis como tecnología también es distinta del uso de otras bacterias como Escherichia coli, y la fermentación de levadura, para la fabricación de compuestos químicos. “Las bacterias y levaduras modificadas genéticamente se utilizan ampliamente en entornos comerciales para fabricar proteínas y otros compuestos, productos intermedios e incluso medicamentos, pero no se fotosintetizan, por lo que hay que alimentarlas con algún tipo de azúcar, lo que agrega un costo significativo al proceso”, explica Clarke. “En contraste, la electricidad es barata, y el CO2 es un producto de desecho de muchos procesos industriales y de la quema de combustibles fósiles. Si podemos alimentar bacterias como Shewanella con electrones, por ejemplo colocándolas en electrodos conectados a paneles solares, y darles CO2 como fuente de carbono, podríamos usar este proceso fotosintético artificial para generar productos de alto valor.”

Una situación ambiental en la que todos ganan

Aprovechar la capacidad de Shewanella y otros microorganismos para pasar electrones hacia y desde los electrodos (y, por lo tanto, los dispositivos a los que están conectados) es un campo conocido como electromicrobiología. “Desde una perspectiva ambiental, es una situación en la que todos ganan”, dice el profesor Korneel Rabaey, del Departamento de Tecnología Bioquímica y Microbiana de la Universidad de Gante.

Anteriormente fundador del Centro de Electrosíntesis Microbiana de la Universidad de Queensland, el profesor Rabaey fue fundamental en la implementación de una planta de sistemas bioelectroquímicos microbianos (BES) a escala piloto en una cervecería de Foster en Yatala, Queensland, hace cinco años. Esta planta piloto utilizó bacterias para generar energía eléctrica a partir de las propias aguas residuales de la cervecería y producir sosa cáustica, que la cervecería necesita en grandes cantidades para limpiar sus tanques. Desde entonces, se ha establecido un proyecto piloto similar en una planta de fabricación de papel para generar el peróxido de hidrógeno necesario en el proceso de producción.

El trabajo de la Universidad de Queensland ha llevado además a la creación de una empresa derivada, Bilexys, que está desarrollando sistemas bioelectroquímicos que combinan el tratamiento de aguas residuales con la producción de productos químicos a escala comercial. “Estas plantas piloto demuestran que el concepto funcionará en el mundo real y podría proporcionar a la industria opciones para generar productos químicos necesarios en el sitio, con muy poco aporte de energía y el beneficio adicional de limpiar sus residuos al mismo tiempo”, comenta el profesor Rabaey. “A medida que se pongan en marcha más de estas plantas piloto, la tecnología se considerará comercialmente viable y estimulará el desarrollo de nuevos procesos.”

Biofábricas alimentadas por electrones

Es importante distinguir entre el concepto generalizado de usar bacterias para limpiar aguas residuales y el uso de síntesis bioelectroquímica por organismos como Shewanella, subraya el profesor Rabaey. “El tratamiento de aguas residuales con bacterias anaeróbicas para descomponer el contenido orgánico es bien reconocido y se aplica ampliamente para producir biogás rico en metano.”De hecho, solo en Europa hay más de 3.000 plantas que producen biogás de esta manera, utilizando una mezcla de bacterias que pueden descomponer compuestos complejos de carbono en componentes cada vez más pequeños”, señala.

“Lo que todavía no podemos hacer es fabricar productos químicos limpios y de alto valor a partir de aguas residuales, y aquí es donde la síntesis bioelectroquímica por bacterias como Shewanella podría revolucionar la producción de combustibles, biopolímeros y otras sustancias a partir de aguas residuales, utilizando fuentes de electricidad baratas. Las bacterias ya pueden producir algunas moléculas pequeñas, pero esperamos diseñar genéticamente los microorganismos para que produzcan moléculas más complejas, de la misma manera que ahora podemos diseñar la levadura y la bacteria E. coli como biofábricas. Sin embargo, con la síntesis bioelectroquímica no necesitamos conectar azúcares a los organismos como bloques de construcción para que fabriquen el producto final.”

El trabajo hacia este objetivo aún está en una infancia relativa, sin embargo. “Por un lado, tenemos bacterias como Shewanella que pueden realizar fotosíntesis artificial utilizando electricidad barata, pero que actualmente solo pueden fabricar una gama limitada de compuestos útiles”, dice el profesor Rabaey. “Por otro lado tenemos un arsenal de microorganismos como E. coli y la levadura que tienen la maquinaria biológica necesaria para producir un gran número de compuestos útiles, y que pueden ser diseñados de manera relativamente sencilla, pero que no muestran el electrón-transportar la maquinaria necesaria para ser alimentada con electricidad.”

El trabajo para desarrollar las tecnologías que permitirán a los científicos modificar especies de bacterias que aceptan electrones, incluidas Shewanella, Geobacter y especies de la bacteria Clostridium, está siendo pionero por el Profesor Derek Lovley de la Universidad de Massachusetts (UMass) en Amherst, quien descubrió la primera especie de Geobacter, conocida como Geobacter metallireducens, en sedimentos de arena en el río Potomac en 1987.

Conductividad bacteriana

El profesor Lovley encabeza el proyecto Geobacter (www.geobacter.org) en UMass, que está investigando tanto la generación de electricidad, es decir, la célula de combustible microbiana, como las capacidades electrobiosintéticas de la bacteria. Geobacter destaca en la generación de electricidad, pero el pensamiento del profesor Lovley refleja el de Clarke y Rabaey, en el sentido de que cree que es poco probable que veamos el desarrollo de plantas de tratamiento de aguas residuales a base de Geobacter o Shewanella que generan grandes cantidades de electricidad como subproducto. “Nuestro trabajo sobre pilas de combustible microbianas se relaciona principalmente con proyectos financiados por la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos que buscan recolectar electricidad del lodo en el fondo del océano para hacer funcionar dispositivos de monitoreo, que requieren solo un poco de energía.”

Una posible aplicación de la capacidad de generación de electricidad de Geobacter podría ser el desarrollo de sensores bioeléctricos para compuestos orgánicos, sugiere el profesor Lovley. “En este tipo de sensor, las bacterias se acoplarían a un electrodo, y un resultado positivo se registraría como una pequeña corriente eléctrica.”Se trata de pensar en cómo explotar las capacidades de generación de electricidad de organismos relevantes a menor escala, en lugar de a mayor escala. “Las aplicaciones en las que no es necesario generar mucha energía representan buenas oportunidades para las pilas de combustible microbianas y los organismos que pueden llevar a cabo DEET.”

Las aplicaciones de biorremediación son, por el contrario, múltiples tensiones del profesor Lovley. Uno de los proyectos UMass, en colaboración con compañías petroleras, tiene como objetivo aprovechar la capacidad de Geobacter para oxidar la materia orgánica como medio para eliminar los contaminantes de hidrocarburos del suelo y las aguas subterráneas. El trabajo de los equipos de UMass está tratando por separado de mapear el código genético de diferentes especies de Geobacterias, y esto debería ayudar a predecir cómo se comportarán las bacterias en diferentes condiciones ambientales, y permitir a los científicos determinar las mejores cepas de las actividades del organismo, como la limpieza de contaminantes específicos.

La investigación de UMass sobre el proceso de electrosíntesis (devolver electrones a las bacterias) se centra en otros microorganismos, como las especies de Clostridium, que parecen mucho más adecuadas que Geobacter para aplicaciones en las que los organismos se alimentan con electrones para generar productos a partir de dióxido de carbono, agrega el profesor Lovley. “Geobacter es el mejor de los dos organismos para generar electricidad, mientras que el Clostridium es muy adecuado para aplicaciones electrosintéticas.”

Lo que los investigadores aún no saben, sin embargo, es cómo Clostridium consigue que sus electrones entren y salgan de la célula. El organismo no produce cables moleculares como Shewanella y Geobacter. “El Clostridium parece tener una química externa totalmente diferente a la de Shewanella, y descubrir cómo funciona es algo que esperamos lograr en los próximos años”.

Optimización de la bioproducción

Uno de los grandes avances tecnológicos del equipo de UMass llegó el año pasado, con el desarrollo de una plataforma de bioingeniería que permitirá a los científicos modificar genéticamente las especies de Clostridium para que el microorganismo utilice el CO2 y la energía eléctrica para producir compuestos orgánicos muy simples y convertirlos en hidrocarburos más complicados. “Es la misma idea básica que manipular otras bacterias, en el sentido de que se pueden extraer algunos genes y colocar otros, para dirigir a la célula a fabricar el compuesto que se desea, o hacer un precursor o bloque de construcción que se puede modificar fácilmente en el producto final.”

Además, una mayor comprensión de la estructura de los nanofilamentos producidos por especies como Geobacter y Shewanella podría allanar el camino para el desarrollo de microcircuitos basados en cableado biológico como un enfoque completamente nuevo para interconectar la biología con la electrónica. Por ejemplo, el profesor Lovley sugiere que se ha encontrado que Geobacter exhibe propiedades de transistores y puede funcionar como supercondensadores para el almacenamiento de electrones.

” Esto se presta al potencial de cultivar componentes electrónicos microbianos a partir de materias primas económicas, para la producción en masa. Los cables microbianos son extraordinariamente duraderos para una proteína biológica, y la bioelectrónica tiene la ventaja añadida de ser funcional en el agua.”Sin embargo, subraya, las aplicaciones prácticas de estas tecnologías se encuentran todavía en la etapa conceptual.

Entonces, ¿estos microorganismos que habitan en el barro y el suelo representan una promesa de energía barata para todos? Parece poco probable que el DEET sacie de manera realista la sed de electricidad del mundo, aunque la capacidad de estas bacterias para generar una corriente eléctrica puede resultar útil para desarrollar biosensores basados en pilas de combustible microbianas y biobaterías a pequeña escala. Lo que es mucho más probable es que Geobacter, Clostridium y Shewanella tengan aplicaciones mucho más extendidas y comercialmente viables en campos como la biorremediación y la limpieza de aguas residuales, y la síntesis de valiosos compuestos industriales, intermedios y combustibles.

El reloj alimentado con papas es un flashback nostálgico de las lecciones de biología infantil de la mayoría de nosotros, pero un pequeño grupo de científicos cree que generar electricidad a partir de organismos bacterianos podría convertirse en una opción viable. Nuevos conocimientos sobre la mecánica de un aspecto novedoso de la respiración bacteriana podrían…

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