Muchas más bacterias de lo estimado producen gases invernadero

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), un gas de efecto invernadero, 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 juiciosa 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 controlar que el dióxido de carbono, pero con esta investigación ahora sabemos que hay muchas más fuentes que producen óxido nitroso de lo que se creía anteriormente", dice en un comunicado Woody Fischer, profesor de Geobiología e investigador principal del nuevo estudio.

"Entender 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 ha sido publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Dirigido por la ex investigadora postdoctoral Ranjani Murali y el investigador principal James Hemp, el equipo examinó las secuencias genómicas de decenas de miles de especies microbianas diferentes en varios 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 franja 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 por 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 entornos diferentes (humedales, suelos alpinos, lagos, etc.) cuando los niveles de oxígeno comienzan a caer por debajo de aproximadamente el 10% de los niveles atmosféricos.

"Nos hemos perdido grandes regiones de la biosfera donde se producía óxido nitroso porque estas proteínas no se habían descubierto", afirma Fischer. "Ahora podemos predecir con mucha más precisión, a través de la información de la secuencia genómica, qué organismos en qué entornos están produciendo óxido nitroso. Hay muchos más de los que pensábamos".

Los geobiólogos creían anteriormente que las vías anaeróbicas como la respiración de nitratos se dieron evolutivamente antes de la capacidad de respirar oxígeno, en nuestros primeros antepasados unicelulares. Este estudio "cambia el guión", según Fischer, y demuestra que las proteínas que permiten la respiración de nitratos en realidad evolucionaron a partir de las que respiran oxígeno, hace dos mil millones de años.

"Los microbiólogos suelen predecir qué metabolismos son capaces de llevar a cabo los microbios basándose en la genómica comparativa", explica el coautor James Hemp, ex investigador postdoctoral de Caltech que ahora trabaja en la empresa Meliora.bio en Utah.

"Sin embargo, estas hipótesis rara vez se ponen a prueba 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 sobre las funciones de los microbios y las comunidades".