Geobacter es un género de Proteobacteria . Las especies de Geobacter son especies de bacterias de respiración anaeróbica que tienen capacidades que las hacen útiles en la biorremediación . Se descubrió que Geobacter era el primer organismo con la capacidad de oxidar compuestos orgánicos y metales, incluido el hierro, los metales radiactivos y los compuestos del petróleo en dióxido de carbono ambientalmente benignomientras usaba óxido de hierro u otros metales disponibles como aceptores de electrones. [2] También se ha encontrado que las especies de Geobacter pueden respirar sobre un electrodo de grafito . [3]Se han encontrado en condiciones anaeróbicas en suelos y sedimentos acuáticos. [4]
Geobacter | |
---|---|
Geobacter sulfurreducens | |
clasificación cientifica | |
Reino: | |
Filo: | |
Clase: | |
Pedido: | |
Familia: | |
Género: | Geobacter |
Especies | |
G. anodireducens [1] |
Historia
Geobacter metalireducens fue aislado por primera vez por Derek Lovley en 1987 en sedimento de arena del río Potomac en Washington DC. La primera cepa se consideró cepa GS-15. [5]
Mecanismos metabólicos
Durante bastante tiempo, [ ¿cuándo? ] se pensó que las especies de Geobacter carecían de c- citocromos que pudieran utilizarse para reducir los iones metálicos, por lo que se asumió que requerían contacto físico directo para poder utilizar iones metálicos como aceptores terminales de electrones (TEA). [6] El descubrimiento de pili altamente conductivos en especies de Geobacter y la propuesta de usarlos como nano-alambres biológicos fortalecieron aún más este punto de vista. [6] Sin embargo, descubrimientos recientes han revelado que muchas especies de Geobacter , como Geobacter uraniireducens , no solo no poseen pili altamente conductores, sino que tampoco necesitan contacto físico directo para utilizar los iones metálicos como TEA, lo que sugiere que existe una gran variedad de mecanismos de transporte de electrones extracelulares entre las especies de Geobacter . [7] Por ejemplo, otra forma de transportar electrones es a través de una lanzadera de electrones mediada por quinonas , que se observa en Geobacter sulfurreducens . [8]
Otro fenómeno metabólico observado es la cooperación entre especies de Geobacter , en la que varias especies cooperan en la metabolización de una mezcla de sustancias químicas que ninguna de las dos podría procesar por sí sola. Provisto de etanol y fumarato de sodio , G. metallireducens descompuso el etanol, generando un exceso de electrones que pasaron a G. sulfurreducens a través de " nanocables " cultivados entre ellos, permitiendo que G. sulfurreducens descomponga los iones fumarato. [9] Los nanocables están hechos de proteínas con conductividad similar a la del metal. [10]
Aplicaciones
Biodegradación y biorremediación
La capacidad de Geobacter para consumir contaminantes a base de petróleo y material radiactivo con dióxido de carbono como subproducto de desecho se ha utilizado en la limpieza ambiental de derrames de petróleo subterráneos y para la precipitación de uranio fuera de las aguas subterráneas. [11] [12] Geobacter degrada el material creando pili conductores de electricidad entre sí mismo y el material contaminante, utilizándolo como fuente de electrones. [13]
La biodegradación microbiana de contaminantes orgánicos recalcitrantes es de gran importancia ambiental e implica reacciones bioquímicas novedosas e interesantes. En particular, los hidrocarburos y halogenados compuestos mucho tiempo se han puesto en duda ser anaeróbicamente degradable, pero el aislamiento de hidrocarburos degradante y reductivamente deshalogenante anaeróbicas hasta ahora desconocidos bacterias documentado estos procesos en la naturaleza. Se descubrieron nuevas reacciones bioquímicas que permitieron las respectivas vías metabólicas, pero el progreso en la comprensión molecular de estas bacterias se vio frenado por la ausencia de sistemas genéticos para la mayoría de ellas. Sin embargo, más tarde estuvieron disponibles varias secuencias genómicas completas para tales bacterias. El genoma de la especie de degradación de hidrocarburos y reductora de hierro G. metallireducens (número de acceso NC_007517) se determinó en 2008. El genoma reveló la presencia de genes para deshalogenasas reductoras , lo que sugiere un amplio espectro de deshalogenación. Además, las secuencias del genoma proporcionaron información sobre la evolución de la deshalogenación reductiva y las diferentes estrategias para la adaptación de nichos. [14]
Las especies de Geobacter son a menudo los organismos predominantes cuando la transferencia de electrones extracelulares es un proceso de biorremediación importante en los entornos subterráneos. Por lo tanto, se ha iniciado un enfoque de biología de sistemas para comprender y optimizar la biorremediación con especies de Geobacter con el objetivo final de desarrollar modelos in silico que puedan predecir el crecimiento y metabolismo de las especies de Geobacter en una diversidad de condiciones del subsuelo. Se han secuenciado los genomas de múltiples especies de Geobacter . Se realizaron estudios genómicos / fisiológicos funcionales detallados en una especie, G. sulfurreducens . Se encuentran disponibles modelos basados en el genoma de varias especies de Geobacter que pueden predecir respuestas fisiológicas en diferentes condiciones ambientales. El análisis cuantitativo de los niveles de transcripción de genes durante in situ de uranio biorremediación demostró que es posible hacer un seguimiento in situ tasas de metabolismo y la in situ estado metabólico de Geobacter en el subsuelo. [15]
Conductividad de la biopelícula
Muchas especies de Geobacter , como G. sulfureducens , son capaces de crear redes gruesas de biopelículas en los ánodos de las pilas de combustible microbianas para la transferencia extracelular de electrones. [16] Los citocromos dentro de la biopelícula se asocian con pili para formar estructuras extracelulares llamadas nanocables, que facilitan la transferencia de electrones extracelulares a través de la biopelícula. [17] Estos citocromos aceptan electrones de los microorganismos, así como de otros citocromos reducidos presentes en la biopelícula. [17]
Las corrientes eléctricas se producen cuando la transferencia de estos electrones a los ánodos se acopla a la oxidación de los desechos orgánicos intracelulares. [17] Investigaciones anteriores han propuesto que la alta conductividad de las biopelículas de Geobacter se puede utilizar para alimentar pilas de combustible microbianas y generar electricidad a partir de productos de desecho orgánicos. [18] [19] En particular, G. sulfureducens tiene uno de los registros más altos de densidad de corriente de células de combustible microbianas que los investigadores hayan podido medir in vitro. [19] Esta capacidad se puede atribuir a la conductividad de la biopelícula, ya que se ha encontrado que las biopelículas altamente conductoras se correlacionan positivamente con las altas densidades de corriente en las pilas de combustible microbianas. [18]
Por el momento, el desarrollo de pilas de combustible microbianas con fines de generación de energía está parcialmente restringido por su ineficiencia en comparación con otras fuentes de energía y una comprensión insuficiente de la transferencia de electrones extracelulares. [20] Como tal, muchos investigadores están estudiando actualmente cómo podemos utilizar la conductividad de la biopelícula en nuestro beneficio para producir densidades de corriente aún más altas. Se ha descubierto que los entornos de pH bajo cambian los potenciales redox, inhibiendo así la transferencia de electrones de los microorganismos a los citocromos. [17] Además, se ha descubierto que las biopelículas se vuelven menos conductoras con la disminución de la temperatura, aunque volver a subir la temperatura puede restaurar la conductividad de las biopelículas sin efectos adversos. [21] Se ha descubierto que la presencia de pili o flagelos en especies de Geobacter aumenta la generación de corriente eléctrica al permitir una transferencia de electrones más eficiente. [22] Estos diferentes factores pueden modificarse para producir la máxima electricidad y optimizar la biorremediación en el futuro. [20]
Memristor neuromórfico
En un estudio de la Universidad de Massachusetts Amherst, un transistor de memoria neuromórfica (memristor) utilizó una biopelícula de Geobacter cortada en finas hebras de nanocables. [23] Las hebras de nanocables conducen un voltaje bajo similar al de las neuronas en un cerebro humano. En un artículo en coautoría de Derek Lovely, Jun Yao observó que su equipo puede "modular la conductividad o la plasticidad de la sinapsis de nanocables-memristor para que pueda emular componentes biológicos para la computación inspirada en el cerebro ...". [24] La observación de avance se produjo cuando monitorearon la actividad de voltaje a un nivel inferior a 1 voltio.
Cultura popular
Geobacter se ha convertido en un icono para la enseñanza de la electrogénesis microbiana y las pilas de combustible microbianas y ha aparecido en kits educativos que están disponibles para estudiantes y aficionados. [25] El género incluso tiene su propio juguete de peluche. [26] Geobacter también se utiliza para generar electricidad a través de la red de electrodos en Amazon, Perú.
Ver también
- Shewanella
Referencias
- ^ a b c d e "Género: Geobacter" . lpsn.dsmz.de .
- ^ Niños, Susan (2002). "Geobacter metalireducens accede al óxido de Fe (III) insoluble por quimiotaxis". Naturaleza . 416 (6882): 767–769. Código Bibliográfico : 2002Natur.416..767C . doi : 10.1038 / 416767a . PMID 11961561 .
- ^ Bond, Daniel (marzo de 2003). "Producción de electricidad por Geobacter sulfurreducens conectado a electrodos" . Microbiología aplicada y ambiental . 69 (3): 1548-1555. doi : 10.1128 / AEM.69.3.1548-1555.2003 . PMC 150094 . PMID 12620842 .
- ^ Lovley DR, Stolz JF, Nord GL, Phillips EJP (1987). "Producción anaeróbica de magnetita por un microorganismo reductor de hierro disimilatorio" (PDF) . Naturaleza . 350 (6145): 252-254. Código Bibliográfico : 1987Natur.330..252L . doi : 10.1038 / 330252a0 .
- ^ Lovley DR, Stolz JF, Nord GL, Phillips, EJP (1987). "Producción anaeróbica de magnetita por un microorganismo reductor de hierro disimilatorio" (PDF) . Naturaleza . 350 (6145): 252-254. Código Bibliográfico : 1987Natur.330..252L . doi : 10.1038 / 330252a0 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ a b Reguera, Gemma; McCarthy, Kevin D .; Mehta, Teena; Nicoll, Julie S .; Tuominen, Mark T .; Lovley, Derek R. (23 de junio de 2005). "Transferencia de electrones extracelulares a través de nanocables microbianos". Naturaleza . 435 (7045): 1098-1101. Código Bibliográfico : 2005Natur.435.1098R . doi : 10.1038 / nature03661 . ISSN 1476-4687 . PMID 15973408 .
- ^ Tan, Yang; Adhikari, Ramesh Y .; Malvankar, Nikhil S .; Ward, Joy E .; Nevin, Kelly P .; Woodard, Trevor L .; Smith, Jessica A .; Snoeyenbos-West, Oona L .; Franks, Ashley E. (28 de junio de 2016). "La baja conductividad de Geobacter uraniireducens Pili sugiere una diversidad de mecanismos de transferencia de electrones extracelulares en el género Geobacter " . Fronteras en microbiología . 7 : 980. doi : 10.3389 / fmicb.2016.00980 . ISSN 1664-302X . PMC 4923279 . PMID 27446021 .
- ^ Pat-Espadas, Aurora M .; Razo-Flores, Elías; Rangel-Méndez, J. Rene; Cervantes, Francisco J. (2014). "Reducción de paladio directa y mediada por quinonas por Geobacter sulfurreducens : mecanismos y modelado". Ciencia y tecnología ambientales . 48 (5): 2910-2919. Código Bibliográfico : 2014EnST ... 48.2910P . doi : 10.1021 / es403968e . PMID 24494981 .
- ^ Williams, Caroline (2011). "¿A quién llamas simple?". Nuevo científico . 211 (2821): 38–41. doi : 10.1016 / S0262-4079 (11) 61709-0 .
- ^ Malvankar, Nikhil; Vargas, Madeline; Nevin, Kelly; Tremblay, Pier-Luc; Evans-Lutterodt, Kenneth; Nykypanchuk, Dmytro; Martz, Eric; Tuominen, Mark T; Lovley, Derek R (2015). "Base estructural para la conductividad metálica en nanocables microbianos" . mBio . 6 (2): e00084. doi : 10.1128 / mbio.00084-15 . PMC 4453548 . PMID 25736881 .
- ^ Anderson RT, Vrionis HA, Ortiz-Bernad I, Resch CT, Long PE, Dayvault R, Karp K, Marutzky S, Metzler DR, Peacock A, White DC, Lowe M, Lovley DR (2003). "Estimular la actividad in situ de especies de Geobacter para eliminar uranio de las aguas subterráneas de un acuífero contaminado con uranio" . Microbiología aplicada y ambiental . 69 (10): 5884–91. doi : 10.1128 / aem.69.10.5884-5891.2003 . PMC 201226 . PMID 14532040 .
- ^ Cologgi, Dena (2014). "Inmovilización y reducción de uranio mejorada por biopelículas de Geobacter sulfurreducens" . Microbiología aplicada y ambiental . 80 (21): 6638–6646. doi : 10.1128 / AEM.02289-14 . PMC 4249037 . PMID 25128347 .
- ^ "Experimento y teoría se unen por fin en el debate sobre nanocables microbianos" . Phys.org . Consultado el 5 de enero de 2016 .
- ^ Heider J, Rabus R (2008). "Perspectivas genómicas en la biodegradación anaeróbica de contaminantes orgánicos" . Biodegradación microbiana: Genómica y Biología Molecular . Prensa Académica Caister. ISBN 978-1-904455-17-2.
- ^ Díaz E, ed. (2008). Biodegradación microbiana: Genómica y Biología Molecular (1ª ed.). Prensa Académica Caister. ISBN 978-1-904455-17-2.
- ^ Yates, Matthew D .; Strycharz-Glaven, Sarah M .; Golden, Joel P .; Roy, Jared; Tsoi, Stanislav; Erickson, Jeffrey S .; El-Naggar, Mohamed Y .; Barton, Scott Calabrese; Licitación, Leonard M. (8 de noviembre de 2016). "Medición de la conductividad de biofilms vivos de Geobacter sulfurreducens". Nanotecnología de la naturaleza . 11 (11): 910–913. Código bibliográfico : 2016NatNa..11..910Y . doi : 10.1038 / nnano.2016.186 . ISSN 1748-3395 . PMID 27821847 .
- ^ a b c d Bond, Daniel R .; Strycharz-Glaven, Sarah M .; Tierna, Leonard M .; Torres, César I. (21 de mayo de 2012). "Sobre el transporte de electrones a través de biopelículas de Geobacter". ChemSusChem . 5 (6): 1099-1105. doi : 10.1002 / cssc.201100748 . PMID 22615023 .
- ^ a b Malvankar, Nikhil S .; Tuominen, Mark T .; Lovley, Derek R. (25 de enero de 2012). "La conductividad de la biopelícula es una variable decisiva para las pilas de combustible microbianas de Geobacter sulfurreducens de alta densidad de corriente" . Ciencias de la energía y el medio ambiente . 5 (2): 5790. doi : 10.1039 / C2EE03388G . ISSN 1754-5706 .
- ^ a b Yi, Hana; Nevin, Kelly P .; Kim, Byoung-Chan; Franks, Ashely E .; Klimes, Anna; Tierna, Leonard M .; Lovley, Derek R. (15 de agosto de 2009). "Selección de una variante de Geobacter sulfurreducens con capacidad mejorada para la producción actual en pilas de combustible microbianas". Biosensores y bioelectrónica . 24 (12): 3498–3503. doi : 10.1016 / j.bios.2009.05.004 . ISSN 1873-4235 . PMID 19487117 .
- ^ a b Logan, Bruce E. (30 de marzo de 2009). "Bacterias exoelectrogénicas que alimentan las pilas de combustible microbianas". Nature Reviews Microbiología . 7 (5): 375–381. doi : 10.1038 / nrmicro2113 . ISSN 1740-1534 . PMID 19330018 .
- ^ Yates, Matthew D .; Golden, Joel P .; Roy, Jared; Strycharz-Glaven, Sarah M .; Tsoi, Stanislav; Erickson, Jeffrey S .; El-Naggar, Mohamed Y .; Barton, Scott Calabrese; Licitación, Leonard M. (2 de diciembre de 2015). "Transporte de electrones de largo alcance activado térmicamente en biopelículas vivas". Física Química Física Química . 17 (48): 32564–32570. Código bibliográfico : 2015PCCP ... 1732564Y . doi : 10.1039 / c5cp05152e . ISSN 1463-9084 . PMID 26611733 .
- ^ Reguera, Gemma; Nevin, Kelly P .; Nicoll, Julie S .; Covalla, Sean F .; Woodard, Trevor L .; Lovley, Derek R. (1 de noviembre de 2006). "La producción de biopelículas y nanocables conduce a una mayor corriente en las pilas de combustible de Geobacter sulfurreducens" . Microbiología aplicada y ambiental . 72 (11): 7345–7348. doi : 10.1128 / AEM.01444-06 . ISSN 0099-2240 . PMC 1636155 . PMID 16936064 .
- ^ "Los investigadores dan a conocer la electrónica que imita el cerebro humano en el aprendizaje eficiente" . Phys.org . 20 de abril de 2020 . Consultado el 20 de abril de 2020 .
- ^ Fu, Tianda (20 de abril de 2020). "Memristors de biovoltaje bioinspirados" . Comunicaciones de la naturaleza . 11 . doi : 10.1038 / s41467-020-15759-y - a través de Nature Communications.
- ^ "MudWatt: cultivar una pila de combustible viva" . Microbios mágicos .
- ^ Microbios gigantes. "Peluche Geo" . Microbios gigantes .
enlaces externos
- LPSN , género: Geobacter
- "Proyecto Geobacter" . Archivado desde el original el 3 de mayo de 2009 . Consultado el 13 de agosto de 2005 .
- Biodegradación, biorremediación y biotransformación microbiana
- Una solución electrizante