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Cupriavidus necator

Cupriavidus necator es una bacteria del suelo Gram-negativa de la clase Betaproteobacteria . [1]

Taxonomía

Cupriavidus necator ha pasado por una serie de cambios de nombre. En la primera mitad del siglo XX, se aislaron muchos microorganismos por su capacidad para utilizar hidrógeno. Los organismos quimiolitotróficos que metabolizan el hidrógeno se agruparon en el grupo Hydrogenomonas . [2] C. necator originalmente se llamó Hydrogenomonas eutrophus porque entraba en la clasificación de Hydrogenomonas y estaba "bien nutrido y era robusto". [3] Algunos de los cultivos originales de H. eutrophus aislados fueron de Bovell y Wilde. [4] [5] Después de caracterizar la morfología celular , el metabolismo y el contenido de GC , la nomenclatura de Hydrogenomonas se disolvió porque comprendía muchas especies de microorganismos. [2] H. eutrophus pasó entonces a llamarse Alcaligenes eutropha porque era un microorganismo con flagelación peritrica degenerada . [3] [6] Al investigar el fenotipo , la composición de lípidos , la composición de ácidos grasos y el análisis de ARNr 16S , se descubrió que A. eutropha pertenece al género Ralstonia y se denominó Ralstonia eutropha . [1] Tras un estudio más detallado del género, se descubrió que Ralstonia comprende dos grupos fenotípicamente distintos. El nuevo género Wautersia se creó a partir de uno de estos grupos que incluía a R. eutropha . A su vez R. eutropha pasó a denominarse Wautersia eutropha . [7] Al observar la hibridación ADN-ADN y la comparación de fenotipos con Cupriavidus necator , se descubrió que W. eutropha era la misma especie que C. necator descrita anteriormente . Debido a que C. necator fue nombrado en 1987 mucho antes del cambio de nombre a R. eutropha y W. eutropha , el nombre C. necator fue asignado a R. eutropha de acuerdo con la Regla 23a del Código Internacional de Nomenclatura de Bacterias . [8]

Metabolismo

Cupriavidus necator es una bacteria oxidante de hidrógeno (bacteria "knallgas") capaz de crecer en la interfaz de ambientes anaeróbicos y aeróbicos. Puede adaptarse fácilmente entre estilos de vida heterótrofos y autótrofos . Tanto los compuestos orgánicos como el hidrógeno se pueden utilizar como fuente de energía [9] C. necator puede realizar respiración aeróbica o anaeróbica mediante la desnitrificación de nitrato y/o nitrito a gas nitrógeno. [10] Cuando crece en condiciones autótrofas, C. necator fija carbono a través de la vía reductora de las pentosas fosfato . [11] Se sabe que produce y secuestra plásticos de polihidroxialcanoato (PHA) cuando se expone a cantidades excesivas de sustrato de azúcar. El PHA puede acumularse hasta niveles de alrededor del 90% del peso seco de la célula. [12] Para caracterizar mejor el estilo de vida de C. necator , se han secuenciado los genomas de dos cepas . [9] [13]

hidrogenasas

Cupriavidus necator puede utilizar gas hidrógeno como fuente de energía cuando crece en condiciones autótrofas. Contiene cuatro hidrogenasas diferentes que tienen sitios activos [Ni-Fe] y todas realizan esta reacción: [14] [15]

H 2 2H + + 2e −

Las hidrogenasas de C. necator son como otras hidrogenasas [Ni-Fe] típicas porque están formadas por una subunidad grande y una pequeña. La subunidad grande es donde reside el sitio activo [Ni-Fe] y la subunidad pequeña está compuesta por grupos de [Fe-S] . [16] Sin embargo, las hidrogenasas de C. necator son diferentes de las hidrogenasas típicas [Ni-Fe] porque son tolerantes al oxígeno y no son inhibidas por el CO . [14] Si bien las cuatro hidrogenasas realizan la misma reacción en la célula, cada hidrogenasa está vinculada a un proceso celular diferente. Las diferencias entre la hidrogenasa reguladora, la hidrogenasa unida a membrana, la hidrogenasa soluble y la hidrogenasa actinobacteriana en C. necator se describen a continuación.

hidrogenasa reguladora

La primera hidrogenasa es una hidrogenasa reguladora (RH) que indica a la célula que hay hidrógeno presente. La RH es una proteína que contiene subunidades grandes y pequeñas de hidrogenasa [Ni-Fe] unidas a una subunidad de histidina proteína quinasa . [17] El gas hidrógeno se oxida en el centro [Ni-Fe] en la subunidad grande y, a su vez, reduce los grupos [Fe-S] en la subunidad pequeña. Se desconoce si los electrones se transfieren desde los grupos [Fe-S] al dominio de la proteína quinasa. [14] La histidina proteína quinasa activa un regulador de respuesta . El regulador de respuesta está activo en la forma desfosforilada. El regulador de respuesta desfosforilado promueve la transcripción de la hidrogenasa unida a la membrana y la hidrogenasa soluble. [18]

Hidrogenasa unida a membrana

La hidrogenasa unida a membrana (MBH) está unida a la cadena respiratoria a través de una proteína específica relacionada con el citocromo b en C. necator . [19] El gas hidrógeno se oxida en el sitio activo [Ni-Fe] en la subunidad grande y los electrones se transportan a través de los grupos [Fe-S] en la subunidad pequeña hasta la proteína similar al citocromo b. [14] El MBH se encuentra en la membrana citoplasmática externa . Recupera energía para la célula canalizando electrones hacia la cadena respiratoria y aumentando el gradiente de protones . [19] El MBH en C. necator no es inhibido por el CO y es tolerante al oxígeno. [20]

Hidrogenasa reductora de NAD+

La hidrogenasa reductora de NAD+ (hidrogenasa soluble, SH) crea una equivalencia reductora de NADH al oxidar el gas hidrógeno. La SH es una proteína heterohexamérica [21] con dos subunidades que componen las subunidades grande y pequeña de la [Ni-Fe] hidrogenasa y las otras dos subunidades que comprenden un módulo de reductasa similar al del Complejo I. [22] El sitio activo [Ni-Fe] oxida el gas hidrógeno que transfiere electrones a un cofactor FMN-a , luego a un relé del grupo [Fe-S] de la subunidad pequeña de la hidrogenasa y al módulo reductasa, luego a otro FMN-b. cofactor y finalmente a NAD + . [14] Las equivalencias reductoras se utilizan luego para fijar dióxido de carbono cuando C. necator crece de forma autótrofa.

El sitio activo del SH de C. necator H16 se ha estudiado ampliamente porque C. necator H16 puede producirse en grandes cantidades, manipularse genéticamente y analizarse con técnicas espectrográficas . Sin embargo, actualmente no hay ninguna estructura cristalina disponible para la hidrogenasa soluble de C. necator H16 en presencia de oxígeno para determinar las interacciones del sitio activo con el resto de la proteína. [14]

Hidrogenasas anaeróbicas típicas [Ni-Fe]

La hidrogenasa [Ni-Fe] de Desulfovibrio vulgaris y D. gigas tienen estructuras proteicas similares entre sí y representan hidrogenasas [Ni-Fe] típicas. [14] [23] [24] [25] La subunidad grande contiene el sitio activo [Ni-Fe] enterrado profundamente en el núcleo de la proteína y la subunidad pequeña contiene grupos [Fe-S]. El átomo de Ni está coordinado con la Desulfovibrio hidrogenasa mediante 4 ligandos de cisteína . Dos de estos mismos ligandos de cisteína también unen el Fe del sitio activo [Ni-Fe]. [23] [24] El átomo de Fe también contiene tres ligandos, un CO y dos CN que completan el sitio activo. [26] Estos ligandos adicionales podrían contribuir a la reactividad o ayudar a estabilizar el átomo de Fe en el estado de oxidación de bajo espín +2. [23] Las hidrogenasas [NiFe] típicas como las de D. vulgaris y D. gigas son envenenadas por oxígeno porque un átomo de oxígeno se une fuertemente al sitio activo de NiFe. [20]

C. necadorSH tolerante al oxígeno

Los SH en C. necator son únicos para otros organismos porque son tolerantes al oxígeno. [27] Se ha estudiado el sitio activo de la SH para saber por qué esta proteína es tolerante al oxígeno. Un estudio reciente demostró que la tolerancia al oxígeno implementada en el SH se basa en una desintoxicación continua de O 2 impulsada catalíticamente [Ref falta]. Los genes que codifican este SH pueden regularse positivamente en condiciones de crecimiento heterótrofo utilizando glicerol en el medio de crecimiento [28] y esto permite la producción aeróbica y la purificación de la misma enzima. [29]

Aplicaciones

Las hidrogenasas de C. necator tolerantes al oxígeno se han estudiado con diversos fines. C. necator se estudió como un organismo atractivo para ayudar a sustentar la vida en el espacio. Puede fijar dióxido de carbono como fuente de carbono, utilizar la urea de la orina como fuente de nitrógeno y utilizar hidrógeno como fuente de energía para crear cultivos densos que podrían utilizarse como fuente de proteínas. [30] [31]

La electrólisis del agua es una forma de crear una atmósfera oxigenada en el espacio y se investigó a C. necator para reciclar el hidrógeno producido durante este proceso. [32]

Para la investigación de biocombustibles se utilizan hidrogenasas tolerantes al oxígeno. Las hidrogenasas de C. necator se han utilizado para recubrir superficies de electrodos para crear pilas de combustible de hidrógeno tolerantes al oxígeno y al monóxido de carbono [20] y para diseñar complejos ligeros productores de hidrógeno . [33] Además, las hidrogenasas de C. necator se han utilizado para crear sensores de hidrógeno. [34] C. necator genéticamente modificado puede producir isobutanol a partir de CO
2que pueden sustituir o mezclarse directamente con la gasolina . El organismo emite el isobutanol sin necesidad de destruirlo para obtenerlo. [35]

Usos industriales

Investigadores de la UCLA han modificado genéticamente una cepa de la especie C. necator (anteriormente conocida como R. eutropha H16) para producir isobutanol a partir de CO 2 como materia prima utilizando electricidad producida por una célula solar. El proyecto, financiado por el Departamento de Energía de EE.UU., es un posible electrocombustible de alta densidad energética que podría utilizar la infraestructura existente para sustituir el petróleo como combustible para el transporte. [36]

Ingenieros químicos y biomoleculares del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea han presentado una forma escalable de convertir el CO 2 del aire en poliéster mediante el C. necator . [37]

Referencias

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