Los investigadores de Caltech han descubierto una nueva clase de enzimas que permiten a una gran cantidad de bacterias “respirar” nitrato cuando se encuentran en condiciones de bajo oxígeno. Si bien esto es una ventaja evolutiva para la supervivencia bacteriana, el proceso produce óxido nitroso (N2O) como subproducto, el tercer gas de efecto invernadero más potente, después del dióxido de carbono y el metano.
Sin embargo, a diferencia del dióxido de carbono, el óxido nitroso no permanece mucho tiempo en la atmósfera, lo que significa que cualquier intervención para frenar su emisión puede tener beneficios inmediatos. Por ejemplo, el uso excesivo de fertilizantes para los cultivos proporciona a las bacterias del suelo abundante nitrato, que luego convierten en óxido nitroso; una aplicación más sensata de fertilizantes podría reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y ahorrar dinero a los agricultores.
“El óxido nitroso es un gas de efecto invernadero mucho más difícil de monitorear que el dióxido de carbono, pero con esta investigación ahora sabemos que hay muchas más fuentes que producen óxido nitroso de lo que se pensaba anteriormente”, dice Woody Fischer, profesor de Geobiología e investigador principal del nuevo estudio.
“Comprender dónde y cuándo se libera este gas a la atmósfera puede ayudarnos a tomar decisiones más inteligentes. Hay un futuro no muy lejano en el que un agricultor tendrá información sobre las comunidades de microbios presentes en su suelo, lo que le permitirá tomar decisiones informadas sobre cómo y cuándo utilizar fertilizantes para la salud del paisaje”.
Un artículo que describe la investigación apareció el 20 de junio en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Dirigido por el ex investigador postdoctoral Ranjani Murali y el investigador principal James Hemp, el equipo examinó las secuencias genómicas de decenas de miles de especies microbianas diferentes en diversos entornos de la Tierra. La mayoría de las células de la biosfera utilizan ciertas proteínas llamadas reductasas para respirar oxígeno, pero Murali y su equipo descubrieron una amplia gama de reductasas que habían desarrollado proteínas estrechamente relacionadas para respirar óxido nítrico, produciendo óxido nitroso en el proceso.
El óxido nítrico y el óxido nitroso son sustancias químicas intermedias que se producen durante la desnitrificación, el proceso mediante el cual las bacterias descomponen el nitrato, la sustancia química que se encuentra en los fertilizantes. Las bacterias pueden pasar de respirar oxígeno a óxido nítrico en muchos ambientes diferentes (humedales, suelos alpinos, lagos, etc.) cuando los niveles de oxígeno comienzan a caer por debajo de aproximadamente el 10% de los niveles atmosféricos.
“Hemos pasado por alto grandes regiones de la biosfera donde se producía óxido nitroso porque estas proteínas no estaban descubiertas”, dice Fischer. “Ahora podemos predecir con mucha más precisión, a través de información de secuencia genómica, qué organismos en qué entornos producen óxido nitroso. Hay muchos más de los que pensábamos”.
Los geobiólogos habían creído anteriormente que las vías anaeróbicas como la respiración de nitratos surgieron evolutivamente antes de la capacidad de respirar oxígeno, en nuestros primeros ancestros unicelulares. Este estudio “cambia el guión”, según Fischer, al demostrar que las proteínas que permiten la respiración de nitrato en realidad evolucionaron a partir de aquellas que respiran oxígeno, hace dos mil millones de años.
“Los microbiólogos a menudo predicen qué metabolismos son capaces de realizar los microbios basándose en la genómica comparada”, explica el coautor James Hemp, ex becario postdoctoral de Caltech y ahora de la empresa Meliora.bio en Utah.
“Sin embargo, estas hipótesis rara vez se prueban experimentalmente. Nuestro trabajo ha aumentado drásticamente la diversidad bioquímica de una de las familias de enzimas más estudiadas en microbiología. Esto debería servir como advertencia de que el análisis metabólico automatizado sin verificación experimental puede llevar a conclusiones incorrectas de las funciones de microbios y comunidades.”
Murali, ahora miembro de la facultad de la Universidad de Nevada Las Vegas, es el primer autor del estudio. Además de Murali, Fischer y Hemp, los coautores de Caltech son los ex estudiantes de posgrado L. M. Ward (Ph.D. ’17), ahora del Smith College, y Usha F. Lingappa (Ph.D. ’21), ahora de la UC Berkeley. Los coautores adicionales son Laura A. Pace de Meliora.bio, Robert A. Sanford y Robert B. Gennis de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y Mackenzie M. Lynes y Roland Hatzenpichler de la Universidad Estatal de Montana.
Fuente: Phys.org.
