Manuel Sánchez, autor de “Curiosidades de la Microbiología,” organiza la XV Edición del Carnaval de la Física. El límite para enviar entradas es el 25 de enero; él recopilará las entradas el 30 de enero en su blog. ¡Anímate y participa! Como el blog anfitrión quiere que «si es posible, que las entradas traten un tema que tenga alguna relación con el mundo de la Física y sus relaciones con los mundos de la Biología y/o de la Química,» mi primera entrada será, faltaría más, de microbiología: las bacterias capaces de producir electricidad.

El catabolismo, el conjunto de reacciones químicas que transforma los nutrientes en energía, produce electrones innecesarios como desechos; respiramos para que las moléculas de oxígeno lleguen a través de la sangre a nuestras células, acepten estos electrones de desecho e iones de hidrógeno produciendo agua. Pero las bacterias que viven en entornos que carecen de oxígeno (como la bacteria marina Shewanella oneidensis), no pueden digerir estos electrones sobrantes y los excretan a través de su membrana si entran en contacto con un mineral extracelular adecuado, como hierro, manganeso u óxidos de uranio. Los físicos y los químicos pueden aprovechar estos electrones para obtener pilas de combustible basadas en bacterias. Baterías eléctricas vivas que pueden usarse para producir biocombustibles o como fuentes renovables de energía. Muchos habréis oído de hablar de este asunto pero, ¿cómo excretan electrones estas bacterias? Nadie lo sabe, pero muchos físicos están tratando de averiguarlo. Nos lo cuenta Ashley G. Smart, «Two experiments, two takes oon electric bacteria,» Physics Today 63: 18-20, December 2010 [copia gratis].

Todavía es un misterio para la ciencia el mecanismo exacto por el que las proteobacterias  Shewanella excretan electrones. Las dos explicaciones más habituales son: (1) estas bacterias segregan unas moléculas lanzadera que se difunden en la superficie del metal, depositan los electrones, y retornan a la pared celular para repetir el proceso; y (2) estas bacterias en contacto con un metal adecuado, liberan directamente los electrones a través de la pared celular. Los investigadores que defienden la primera hipótesis afirman que las moléculas lanzadera son flavinas, como la riboflavina (vitamina B2); pero algunas bacterias productoras de electricidad como las geobacterias son incapaces de secretar flavinas. Los investigadores que defienden la segunda hipótesis afirman que si las proteobacterias del género Geobacter son capaces de transferir directamente electrones a través de su membrana, por qué no lo van a poder hacer sus primas hermanas del género Shewanella.

La solución podría ser el experimento, pero los experimentos no son como Salomón (que fue capaz de decidir la madre del bebé). Dos grupos de investigadores han demostrado que ambas hipótesis podrían ser correctas.

La primera hipótesis ha sido corroborada por Charles Lieber (Universidad de Harvard) y Bradley Ringeisen (Laboratorio de Investigación de la Marina en Washington, DC). La segunda hipótesis ha sido corroborada por Mohamed El-Naggar (Universidad de California del Sur) y Yuri Gorby (Instituto de J. Craig Venter en San Diego, California). Quizás la solución sea salomónica, ambas hipótesis son correctas: dos mecanismos alternativos en la Shewanella para la misma función.

Lieber y Ringeisen han desarrollado una pila de combustible basada en nanoelectrodos multicapa alternando oro y titatnio sobre un sustrato de cristal. En lugar de exponer directamente el cultivo bacteriano a estos nanoelectrodos, han recubierto los nanoelectrodos con una capa aislante de 400 nanómetros de nitruro de silicio en la que han hecho agujeros. Como muestra la figura de arriba, electrodo de la izquierda, en un caso eran muchos agujeros muy pequeños, de unos cientos de nanómetros de diámetro, y en el otro caso, electrodo de la derecha en la figura, la ventana era enorme, de unos 6×10 μm. En ambos casos, el área total expuesta las bacterias era idéntica. Y en ambos casos la respuesta del electrodo fue idéntica: unos 5 pA tras unos 20 minutos, como muestra la figura de arriba, derecha. Según Lieber y Ringeisen la razón es que hay una molécula lanzadera capaz de penetrar en los agujeros más pequeños sin necesidad de que la pared celular de la bacteria haga contacto con los nanoelectrodos.

Resuelto el asunto. No, ya que las proteobacterias Shewanella tienen un flagelo cuyo diámetro es menor que los agujeros utilizados y podría penetrar por ellos hasta hacer contacto con los nanoelectrodos. Gorby decidió estudiar si estos flagelos son capaces de conducir la electricidad (y excretar electrones). Gracias a la ayuda de El-Naggar, experto en fabricación de nanohilos han logrado medir la resistencia eléctrica del flagelo (figura de arriba, izquierda) y resulta que mide 1 Ω·cm (como un semiconductor moderado). Más que suficiente para ser responsable del flujo total de electrones por segundo (la corriente eléctrica) que produce la cada bacteria Shewanella. Para verificar su resultado han depositado bacterias sobre una matriz de oro y óxido de silicio (figura de arriba, derecha) y han utilizado un microscopio de fuerza atómica para determinar la resistividad de forma directa y han obtenido el mismo resultado (1 Ω·cm).

En resumen, los flagelos con un diámetro entre 5 y 10 nm podrían atravesar los agujeros del primer experimento y conducen lo suficiente como para ser responsables del efecto observado sin que exista ninguna molécula lanzadera. Pero Lieber y Ringeisen no dan su brazo a torcer y han decidido probar de otra forma su hipótesis. Han bañado un cultivo de proteobacterias con un fluido rico en flavinas y luego han retirado dicho fluido. La corriente ha desaparecido de repente, aunque muchas bacterias seguían adheridas al electrodo. Luego han vuelto a introducir el fluido y la corriente ha vuelto a recuperarse.

Entonces, ¿cuál de las dos hipótesis es la correcta? Quizás sean correctas las dos. La evolución podría haber dotado a las proteobacterias de dos mecanismos alternativos para excretar los electrones de desecho de su catabolismo.