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Cupriavidus necator

Cupriavidus necator es una bacteria del suelo gramnegativa de la clase Betaproteobacteria . [1]

Taxonomía

Cupriavidus necator ha pasado por una serie de cambios de nombre. En la primera mitad del siglo XX, muchos microorganismos fueron aislados por su capacidad de utilizar hidrógeno. Los organismos quimiolitotróficos metabolizadores de hidrógeno se agruparon en el grupo Hydrogenomonas . [2] C. necator se llamó originalmente Hydrogenomonas eutrophus porque caía bajo la clasificación Hydrogenomonas y estaba "bien nutrido y 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 Hydrogenomonas se disolvió porque comprendía muchas especies de microorganismos. [2] H. eutrophus luego pasó a llamarse Alcaligenes eutropha porque era un microorganismo con flagelación perítrica degenerada . [3] [6] Al investigar el fenotipo , la composición lipídica , la composición de ácidos grasos y el análisis del ARNr 16S , se descubrió que A. eutropha pertenece al género Ralstonia y se lo nombró Ralstonia eutropha . [1] Tras un estudio más profundo 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 llamarse Wautersia eutropha . [7] Al observar la hibridación ADN-ADN y la comparación del fenotipo con Cupriavidus necator , se descubrió que W. eutropha es 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 heterotróficos y autótrofos . Tanto los compuestos orgánicos como el hidrógeno pueden usarse como fuente de energía [9] C. necator puede realizar respiración aeróbica o anaeróbica por 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 fosfato de pentosa . [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 a 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]

H22H + + 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 [Fe-S] . [16] Sin embargo, las hidrogenasas de C. necator son diferentes de las hidrogenasas [Ni-Fe] típicas 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 la 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 envía señales a la célula sobre la presencia de hidrógeno. La RH es una proteína que contiene subunidades de hidrogenasa [Ni-Fe] grandes y pequeñas unidas a una subunidad de proteína quinasa de histidina . [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 proteína quinasa de histidina 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 la membrana (MBH) está vinculada 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 a la proteína similar al citocromo b. [14] La 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] La MBH en C. necator no es inhibida 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 mediante la oxidación del gas hidrógeno. La SH es una proteína heterohexamérica [21] con dos subunidades que forman las subunidades grande y pequeña de la hidrogenasa [Ni-Fe] y las otras dos subunidades que comprenden un módulo 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 relevo de grupo [Fe-S] de la subunidad pequeña de la hidrogenasa y el módulo reductasa, luego a otro cofactor FMN-b y finalmente a NAD + . [14] Las equivalencias reductoras se utilizan luego para fijar el dióxido de carbono cuando C. necator está creciendo de forma autotrófica.

El sitio activo del SH de C. necator H16 ha sido ampliamente estudiado debido a que C. necator H16 se puede producir en grandes cantidades, se puede manipular genéticamente y se puede analizar con técnicas espectrográficas . Sin embargo, actualmente no se dispone de una estructura cristalina 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 [Ni-Fe] típicas

Las hidrogenasas [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 hidrogenasa de Desulfovibrio por 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 +2 de espín bajo. [23] Las hidrogenasas [NiFe] típicas como las de D. vulgaris y D. gigas se envenenan con el oxígeno porque un átomo de oxígeno se une fuertemente al sitio activo de NiFe. [20]

C. necatorSH tolerante al oxígeno

Las SH de C. necator son únicas 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 tal como se implementa en la SH se basa en una desintoxicación catalítica continua de O 2 [Ref missing]. Los genes que codifican esta SH pueden regularse positivamente en condiciones de crecimiento heterotrófico 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 tolerantes al oxígeno de C. necator 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 en la orina como fuente de nitrógeno y utilizar el hidrógeno como fuente de energía para crear cultivos densos que podrían usarse 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]

Las hidrogenasas tolerantes al oxígeno se están utilizando para investigar los biocombustibles. Las hidrogenasas de C. necator se han utilizado para recubrir superficies de electrodos para crear celdas 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] La C. necator modificada genéticamente puede producir isobutanol a partir de CO
2que puede sustituir directamente o mezclarse con la gasolina . El organismo emite el isobutanol sin necesidad de destruirlo para obtenerlo. [35]

Usos industriales

Los investigadores de la UCLA han modificado genéticamente una cepa de la especie C. necator (antes conocida como R. eutropha H16) para producir isobutanol a partir de CO2 como materia prima utilizando electricidad producida por una célula solar. El proyecto, financiado por el Departamento de Energía de los EE. UU., es un posible electrocombustible de alta densidad energética que podría utilizar la infraestructura existente para reemplazar al petróleo como combustible para el transporte. [36]

Los ingenieros químicos y biomoleculares del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea han presentado una forma escalable de convertir el CO2 del aire en poliéster por medio del C. necator . [37]

Referencias

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