kdióxido de carbono (CO2) es el principal gas de efecto invernadero en la tierra y contribuye significativamente a la crisis climática cada vez peor. El desarrollo de métodos eficientes para reducir el CO2 eliminarlo de la atmósfera y reducir sus emisiones es, por lo tanto, extremadamente importante. Por ejemplo, hidrógeno (H.2) como fuente de energía potencialmente verde es cada vez más importante. Sin embargo, el uso y almacenamiento de este gas a menudo sigue siendo un desafío, ya que, en comparación con otros combustibles, se requiere un volumen significativamente mayor para obtener la misma ganancia de energía. Una posible alternativa es obtener H.2 ácido fórmico, que puede actuar como un «almacenamiento de hidrógeno líquido».
Microbiólogos de la Universidad Goethe de Fráncfort, en colaboración con científicos de las universidades de Basilea y Marburgo, han logrado ahora descifrar la estructura de una enzima microbiana de la que la biotecnología podría aprender mucho en el futuro: como una especie de «nanocable», sí, retira CO2 del medio ambiente de manera muy eficiente2 y H2 y almacena los gases en la célula en forma de ácido fórmico, como informan los investigadores en la revista «Nature».
Enzima bacteriana única
La extraordinaria enzima con la abreviatura «HDCR» («hhidrógenoeso esempleado C.o2Derechaeductasa «), deriva de la bacteria termoamante Termoanaerobacter kivui y fue descubierto en 2013 por microbiólogos dirigidos por Volker Müller de la Universidad Goethe de Frankfurt. T. Kivui ocurre en las profundidades del mar – por lo tanto, las bacterias viven lejos de cualquier oxígeno. Las células están adaptadas a estas condiciones extremas. Utilizan los gases de CO existentes allí2 y H2 como fuente de energía. La reacción que tiene lugar está catalizada por HDCR: los electrones de hidrógeno se transfieren directamente al dióxido de carbono, dando lugar a la formación de ácido fórmico. A diferencia de todas las demás enzimas conocidas que pueden formar ácido fórmico, HDCR puede usar hidrógeno directamente y no requiere una fuente adicional de electrones. Además, a temperatura ambiente es más de mil veces más eficiente que todos los demás catalizadores conocidos, que a menudo requieren altas presiones no pocas veces de 40 bar y altas temperaturas de 120 grados. Otra ventaja importante es que la reacción es reversible, un requisito previo para la producción de hidrógeno.
Los filamentos permiten una catálisis altamente eficiente.
En sus experimentos, los científicos descubrieron que, en condiciones de laboratorio, el HDCR forma hebras largas, los llamados filamentos, que están decorados con enzimas. En este caso se repiten los módulos que tienen las funciones catalíticas correspondientes. Entonces, hay una forma de proteína que divide el hidrógeno, una que forma ácido fórmico y dos pequeñas que contienen átomos de hierro y azufre. Los investigadores reconocieron que la formación de filamentos juega un papel decisivo porque estimula fuertemente la actividad enzimática, dice Müller. Pero hasta ahora ha sido un misterio cómo exactamente los filamentos permiten una eficiencia tan alta.
En estrecha colaboración con el grupo de investigación de Jan Schuller de la Universidad Phillips y el Centro LOEWE de Microbiología Sintética en Marburg, los científicos ahora han logrado hacer un primer plano molecular de la enzima usando microscopía crioelectrónica. Los detalles más finos se han hecho visibles por primera vez: la columna vertebral de los filamentos está formada por una serie de pequeños módulos que forman una especie de «nanocable» con miles de átomos de hierro y azufre conductores de electrones. De esta forma, los dos módulos catalíticos necesarios para la reacción están conectados entre sí de forma óptima, como una autopista. Gracias a esta estructura espacial especial, el eficiente CO2 para ser habilitado para el almacenamiento. Usando tomografía crioelectrónica, los científicos del equipo de Ben Engels en la Universidad de Basilea también pudieron determinar la estructura de la enzima en las células de T. Kivui mirando lo que vieron allí sorprendió a los investigadores. No solo pudieron confirmar la formación de filamentos HDCR, sino que también descubrieron que cientos de estos filamentos se enroscan entre sí como una trenza y forman grandes haces en forma de anillo anclados a la membrana.
Almacenamiento de electrones en haces de filamentos
Sin embargo, la función fisiológica precisa de esta superestructura sigue siendo especulativa y requiere más investigación. Sin embargo, los científicos sospechan que los rayos ayudan a estabilizar los filamentos y podrían servir como punto de partida para la formación de nuevos filamentos. “Las concentraciones de hidrógeno en el ecosistema de estas bacterias son bajas y también el CO2– y H2 las concentraciones cambian”, explica Müller. La formación y, además, el agrupamiento de los filamentos no solo generó un aumento significativo en la concentración de estas enzimas en la célula. Miles de átomos de hierro conductores de electrones en este «nanocable» también podrían almacenar temporalmente electrones de la oxidación de hidrógeno cuando una burbuja de hidrógeno está pasando bacterias, dice Müller. Sin embargo, aún debe estudiarse en el futuro cómo se almacenan los electrones. La aplicación de tales sistemas biológicos en biotecnología podría ayudar en la lucha contra el cambio climático en el futuro.
