Geobacter es un género de bacterias . Las especies de Geobacter sonespecies bacterianas de respiración anaeróbica que tienen capacidades que las hacen útiles en la biorremediación . Se descubrió que Geobacter fue el primer organismo con la capacidad de oxidar compuestos orgánicos y metales, incluido el hierro, los metales radiactivos y los compuestos del petróleo en dióxido de carbono ambientalmente benigno mientras usa óxido de hierro u otros metales disponibles como aceptores de electrones. [2] También se descubrió que las especies de Geobacter pueden respirar sobre un electrodo de grafito . [3] Se han encontrado en condiciones anaeróbicas en suelos y sedimentos acuáticos. [4]
Geobacter metallireducens fue aislado por primera vez por Derek R Lovley en 1987 en sedimento de arena del río Potomac en Washington DC. La primera cepa se consideró cepa GS-15. [5]
Geobacter spp. y metanótrofos , como Candidatus Methylomirabilis y Methylobacter, fueron muy abundantes en muestras del anillo 'Bean' y el anillo 'Thorn North' , en Ontario, Canadá. [6]
Durante bastante tiempo, [ ¿ cuándo? ] se pensó que las especies de Geobacter carecían de c-citocromos que pueden utilizarse para reducir iones metálicos, por lo que se asumió que necesitaban contacto físico directo para utilizar iones metálicos como aceptores terminales de electrones (TEAs). [7] El descubrimiento de los pili altamente conductores en las especies de Geobacter , y la propuesta de utilizarlos como nanocables biológicos fortalecieron aún más esta visión. [7] Sin embargo, descubrimientos recientes han revelado que muchas especies de Geobacter , como Geobacter uraniireducens , no solo no poseen pili altamente conductores, sino que tampoco necesitan contacto físico directo para utilizar los iones metálicos como TEAs, lo que sugiere que existe una gran variedad de mecanismos de transporte de electrones extracelulares entre las especies de Geobacter . [8] Por ejemplo, otra forma de transportar electrones es a través de un transbordador de electrones mediado por quinona , que se observa en Geobacter sulfurreducens . [9]
Otro fenómeno metabólico observado es la cooperación entre especies de Geobacter , en la que varias especies cooperan en la metabolización de una mezcla de sustancias químicas que ninguna podría procesar sola. Cuando se le proporcionó etanol y fumarato de sodio , G. metallireducens descompuso el etanol, generando un exceso de electrones que pasaron a G. sulfurreducens a través de nanocables que crecieron entre ellos, lo que le permitió a G. sulfurreducens descomponer los iones de fumarato. [10] Los nanocables están hechos de proteínas con conductividad similar a la del metal. [11]
La capacidad de Geobacter de consumir contaminantes derivados del petróleo y material radiactivo con dióxido de carbono como subproducto de desecho se ha utilizado en la limpieza ambiental de derrames de petróleo subterráneos y para la precipitación de uranio de las aguas subterráneas. [12] [13] Geobacter degrada el material creando pili eléctricamente conductores entre sí y el material contaminante, utilizándolo como una fuente de electrones. [14]
La biodegradación microbiana de contaminantes orgánicos recalcitrantes es de gran importancia ambiental e implica nuevas e intrigantes reacciones bioquímicas. En particular, durante mucho tiempo se ha dudado de que los hidrocarburos y los compuestos halogenados sean degradables anaeróbicamente, pero el aislamiento de bacterias anaeróbicas hasta ahora desconocidas que degradan hidrocarburos y deshalogenan reductivamente documentó estos procesos en la naturaleza. Se descubrieron nuevas reacciones bioquímicas, que posibilitaron las respectivas vías metabólicas, pero el progreso en la comprensión molecular de estas bacterias se vio ralentizado por la ausencia de sistemas genéticos para la mayoría de ellas. Sin embargo, más tarde estuvieron disponibles varias secuencias genómicas completas para dichas bacterias. El genoma de la especie G. metallireducens (número de acceso NC_007517), que degrada hidrocarburos y reduce hierro, se determinó en 2008. El genoma reveló la presencia de genes para deshalogenasas reductivas , lo que sugiere un amplio espectro de deshalogenación. Además, las secuencias genómicas proporcionaron información sobre la evolución de la deshalogenación reductiva y las diferentes estrategias para la adaptación al nicho. [15]
Las especies de Geobacter suelen ser los organismos predominantes cuando la transferencia de electrones extracelulares es un proceso de biorremediación importante en entornos subterráneos. Por lo tanto, se ha iniciado un enfoque de biología de sistemas para comprender y optimizar la biorremediación con especies de Geobacter con el objetivo final de desarrollar modelos in silico que puedan predecir el crecimiento y el metabolismo de las especies de Geobacter en una diversidad de condiciones subterráneas. Se han secuenciado los genomas de múltiples especies de Geobacter . Se realizaron estudios genómicos/fisiológicos funcionales detallados en una especie, G. sulfurreducens . Se encuentran disponibles modelos basados en el genoma de varias especies de Geobacter que pueden predecir respuestas fisiológicas en diferentes condiciones ambientales. El análisis cuantitativo de los niveles de transcripción genética durante la biorremediación con uranio in situ demostró que es posible rastrear las tasas de metabolismo in situ y el estado metabólico in situ de Geobacter en el subsuelo. [16]
Muchas especies de Geobacter , como G. sulfureducens , son capaces de crear redes gruesas de biopelículas en los ánodos de las celdas de combustible microbianas para la transferencia de electrones extracelulares. [17] Los citocromos dentro de la biopelícula se asocian con pili para formar estructuras extracelulares llamadas nanocables , que facilitan la transferencia de electrones extracelulares a lo largo de la biopelícula. [18] Estos citocromos aceptan electrones de los microorganismos, así como de otros citocromos reducidos presentes en la biopelícula. [18]
Las corrientes eléctricas se producen cuando la transferencia de estos electrones a los ánodos se acopla a la oxidación de los desechos orgánicos intracelulares. [18] Investigaciones anteriores han propuesto que la alta conductividad de las biopelículas de Geobacter se puede utilizar para alimentar celdas de combustible microbianas y generar electricidad a partir de productos de desecho orgánicos. [19] [20] En particular, G. sulfureducens tiene uno de los récords más altos de densidad de corriente de celdas de combustible microbianas que los investigadores han podido medir in vitro. [20] Esta capacidad se puede atribuir a la conductividad de la biopelícula, ya que se ha descubierto que las biopelículas altamente conductoras están correlacionadas positivamente con altas densidades de corriente en las celdas de combustible microbianas. [19]
En la actualidad, el desarrollo de células de combustible microbianas para fines de generación de energía está parcialmente limitado por su ineficiencia en comparación con otras fuentes de energía y una comprensión insuficiente de la transferencia de electrones extracelulares. [21] Por ello, muchos investigadores están estudiando actualmente cómo podemos utilizar la conductividad de la biopelícula en nuestro beneficio para producir densidades de corriente aún mayores. Se ha descubierto que los entornos de pH bajo modifican los potenciales redox, inhibiendo así la transferencia de electrones de los microorganismos a los citocromos. [18] Además, se ha descubierto que las biopelículas se vuelven menos conductoras al disminuir la temperatura, aunque volver a aumentar la temperatura puede restaurar la conductividad de la biopelícula sin efectos adversos. [22] Se ha descubierto que la presencia de pili o flagelos en las especies de Geobacter aumenta la generación de corriente eléctrica al permitir una transferencia de electrones más eficiente. [23] Estos diferentes factores se pueden ajustar para producir la máxima electricidad y optimizar la biorremediación en el futuro. [21]
En un estudio de la Universidad de Massachusetts Amherst, una memoria neuromórfica (memristor) utilizó biopelícula de Geobacter cortada en finas hebras de nanocables. [24] Las hebras de nanocables conducen un voltaje bajo similar al de las neuronas en un cerebro humano. En un artículo coescrito por Derek Lovely, Jun Yao observó que su equipo puede "modular la conductividad o la plasticidad de la sinapsis nanocable-memristor para que pueda emular componentes biológicos para la computación inspirada en el cerebro...". [25] La observación innovadora se produjo cuando monitorearon la actividad de voltaje a un nivel inferior a 1 voltio.
La taxonomía actualmente aceptada se basa en la Lista de nombres procariotas con posición en la nomenclatura (LPSN) [26] y el Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI) [27].
Especie incertae sedis:
Geobacter se ha convertido en un icono para la enseñanza de la electrogénesis microbiana y las células de combustible microbianas y ha aparecido en kits educativos que están disponibles para estudiantes y aficionados. [34] Geobacter también se utiliza para generar electricidad a través de una red de electrodos en la Amazonía, Perú. [ cita requerida ]
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