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MEMBRANE PROTEINS OF ELECTROACTIVE BACTERIA PROBED AT LIPID LAYERS ONTO MODIFIED ELECTRODES

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Una plataforma experimental permite conocer mejor las pilas de combustible microbianas

Los dispositivos bioelectroquímicos explotan la capacidad exclusiva de las bacterias para catalizar reacciones redox. Con aplicaciones en biorremediación, tratamiento de aguas residuales y pilas de combustible microbianas, pueden ofrecer una solución «verde» en el sector de la energía.

Investigación fundamental
Salud

Las bacterias electroactivas pueden conectar directamente su metabolismo respiratorio con su entorno extracelular transfiriendo electrones a electrodos a través de membranas biológicas. De esta forma, las bacterias electroactivas sirven como catalizadores de electrodos de bajo coste, y las estrategias para promover su fijación y facilitar la transferencia de electrones podrían aumentar significativamente el rendimiento de los dispositivos bioelectroquímicos.

Investigación de la actividad de las proteínas bacterianas electroactivas

En la actualidad, desconocemos los fundamentos del mecanismo de transferencia de electrones y protones en las bacterias electroactivas. Algunos de estos procesos pueden tener efectos perjudiciales sobre el metabolismo y la estabilidad de la biopelícula, limitando así la utilidad de las biopelículas catalizadoras. Sabemos que este proceso está facilitado por proteínas de membrana de estructura compleja que presentan propiedades redox. El objetivo del proyecto financiado con fondos europeos MELBA era aumentar estos conocimientos y explotar en aplicaciones biotecnológicas las propiedades de transferencia de carga de las proteínas de bacterias electroactivas gramnegativas. Con el apoyo del programa Marie Skłodowska-Curie, un grupo de científicos desarrolló una plataforma electroquímica para investigar la actividad de proteínas específicas extraídas de bacterias. «Nos centramos en proteínas de bacterias electroactivas, microorganismos que no dependen del oxígeno para respirar (como nosotros los seres humanos o como otras bacterias aeróbicas) sino de la reducción de sólidos extracelulares como los óxidos de hierro», explica el coordinador del proyecto, Frédéric Barrière. La plataforma consistía en un electrodo recubierto con lípidos naturales para que pudiese albergar la proteína de transmembrana en investigación de una forma biomimética. También revistieron el electrodo con moléculas con respuesta al pH como las quinonas para estudiar la transferencia de electrones y protones de las bacterias electroactivas. «Demostramos con un modelo de proteínas redox que este concepto funciona y que podíamos medir con el mismo electrodo la transferencia de electrones y de protones», continúa Barrière. La inmovilización del citocromo C en el depósito lipídico alojado en la superficie del electrodo de carbono permitió investigar su comportamiento electroquímico mediante voltametría cíclica. Estelle Lebègue, investigadora del proyecto MELBA, tiene previsto ampliar este trabajo y utilizar la plataforma para seguir estudiando diversas proteínas de membrana que ha purificado a partir de bacterias electroactivas.

Perspectivas de la tecnología MELBA de cara al futuro

Los sistemas bioelectroquímicos microbianos mantienen la gran promesa de apoyar la transición energética verde en el futuro. En principio, estos dispositivos se pueden utilizar en depuradora de aguas residuales para la limpieza del agua mediante la oxidación de los residuos orgánicos a la vez que se produce energía. Sin embargo, en la actualidad su rendimiento es demasiado bajo como para aplicarlo a gran escala, lo que hace necesaria una mayor investigación fundamental y aplicada sobre las bacterias y los factores que afectan a la viabilidad de la biopelícula catalizadora. La plataforma MELBA podría contribuir a comprender mejor las bacterias electroactivas y sus proteínas para usarlas en dispositivos electroquímicos. La investigación de las proteínas redox con capacidad de transporte extracelular de protones aumentará la viabilidad de los microorganismos electroactivos y de las biopelículas catalizadoras. En el futuro, la plataforma podrá ampliarse para investigar la actividad ionófora mediante la inmovilización de los sensores iónicos correspondientes en la superficie del electrodo. En conjunto, la plataforma MELBA ayudará a las aplicaciones biotecnológicas que utilizan microorganismos electroactivos como catalizador, como las pilas de combustible microbianas o las celdas de electrólisis microbiana. Teniendo en cuenta que las estrategias dirigidas a las fuentes de energía alternativas se están convirtiendo en una prioridad debido a las preocupaciones en torno al cambio climático, la mejora del rendimiento bacteriano de las pilas de combustible ayudará a disminuir la dependencia actual de la electricidad basada en combustibles fósiles.

Palabras clave

MELBA, bacteria electroactiva, proteína, electrodo, electroquímico, membrana, dispositivo electroquímico, transferencia de protones, transferencia de electrones, extracción

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