Methanobacterium es un género de laclase Methanobacteria en el reino Archaea , que produce metano como subproducto metabólico. [1] A pesar del nombre, este género no pertenece al dominio bacteriano sino al dominio archaea (por ejemplo, carecen de peptidoglicano en sus paredes celulares). [2] Las Methanobacterium son inmóviles y viven sin oxígeno , [2] que es tóxico para ellas, y solo habitan en ambientes anóxicos . [3]
Una característica compartida por todos los metanógenos es su capacidad de reciclar productos. [3] Pueden utilizar los productos de las actividades metabólicas que ocurren durante la metanogénesis como sustratos para la formación de metano. [3] Las especies de Methanobacterium normalmente prosperan en entornos con temperaturas de crecimiento óptimas que van de 28 a 40 °C, y en rangos ecológicos versátiles. [4] Son una parte del mundo científico que todavía es relativamente desconocida, pero se cree que los metanógenos son algunas de las formas de vida más antiguas de la Tierra. [4] No crean endosporas cuando los nutrientes son limitados. [2] Son omnipresentes en algunos entornos cálidos y con poco oxígeno, como digestores anaeróbicos, aguas residuales y fuentes termales. [5]
En 1776, Alesandro Volta descubrió que las burbujas de gas provenientes de un pantano de agua dulce eran inflamables. [6] Este hallazgo lo llevó a creer que el gas metano podía ser producido por organismos vivos, sin embargo, pensó que este metano provenía de la descomposición de materia orgánica. [6] En 1993, se cultivaron por primera vez metanógenos, lo que reveló que este metano provenía de organismos vivos. [6]
Las metanobacterias son un género específico dentro de las especies metanógenas. La historia evolutiva de las metanobacterias aún es relativamente desconocida, pero se cree que las metanógenas son algunas de las primeras formas de vida de la Tierra, con orígenes que se remontan a más de 3400 millones de años. [4]
Los metanógenos, incluidas las especies de Methanobacterium , pertenecen al dominio de las arqueas, caracterizados por características únicas como secuencias de ARNr 16S no convencionales, estructuras lipídicas distintivas y composiciones novedosas de la pared celular. [7] Estos organismos prevalecen en ambientes extremos, pero también se encuentran en hábitats más moderados, exhibiendo una amplia gama de temperaturas de crecimiento desde psicrotróficas hasta hipertermófilas , y preferencias de salinidad variables desde agua dulce hasta salmuera saturada. [7] A pesar de su ubicación taxonómica dentro de las arqueas, los metanógenos muestran diversas envolturas celulares, que pueden consistir en capas superficiales de proteínas (capas S), proteínas de capa S glicosiladas, polímeros adicionales como metanocondroitina o pseudomureína en especies de tinción Gram-positivas. [7] Los metanógenos son únicos entre las arqueas en su adaptabilidad a un amplio espectro de condiciones ambientales, con preferencia por valores de pH neutros a moderadamente alcalinos. [7]
Taxonómicamente , los metanógenos se clasifican en 25 géneros, distribuidos en 12 familias y cinco órdenes, lo que resalta la importante diversidad fenotípica y genotípica dentro de este grupo. [7] Esta diversidad taxonómica sugiere que la metanogénesis, la vía metabólica a través de la cual los metanógenos producen metano, es un rasgo antiguo y extendido. [7] La naturaleza monofilética de los metanógenos modernos indica que la metanogénesis probablemente evolucionó solo una vez, y que todos los metanógenos contemporáneos comparten un ancestro común. [7] Los esquemas taxonómicos recientes reflejan la rica diversidad e historia evolutiva de los metanógenos, lo que subraya su importancia en los ecosistemas microbianos anaeróbicos y su intrigante adaptación a diversos nichos ambientales. [7]
Cada especie de Methanobacterium es capaz de llevar a cabo el proceso sintrópico de producción de metano, y la mayoría de las especies son hidrogenotróficas. [3] Las especies difieren en su capacidad para utilizar diferentes sustratos para el proceso de producción de metano. Los sustratos utilizados en el proceso de producción de metano pueden ser hidrogenotróficos, metilotróficos o acetoclásticos. [3]
Existen muchas especies diferentes de Methanobacterium con nombres oficialmente reconocidos. [8] A continuación se enumeran y describen algunas de ellas:
Methanobacterium formicicum es una arqueona que se encuentra en el rumen del ganado, búfalos, ovejas, cabras y otros animales. [9] Los microbios en el intestino degradan los nutrientes del alimento ( polisacáridos , proteínas y grasas ) en moléculas orgánicas que luego son convertidas en metano por Methanobacterium como Methanobacterium formicicum. [9] Methanobacterium formicicum se puede encontrar en el intestino humano así como en animales y puede causar trastornos gastrointestinales y metabólicos tanto en humanos como en animales. [9]
Methanobacterium oryzae fue aislada del suelo de los arrozales en Filipinas . [10] Las metanobacterias , como Methanobacterium oryzae, que prosperan en los arrozales a menudo utilizan hidrógeno y acetato como su principal fuente de energía. [10] Esta metanobacteria , así como otras especies de metano que se encuentran en los suelos de los arrozales de todo el mundo, son una fuente importante de metano, que es un gas de efecto invernadero dominante . [10]
Methanobacterium palustre prospera en zonas pantanosas y se encontró por primera vez en una turbera . [11]
Methanobacterium arcticum fue aislada de sedimentos de permafrost en el Ártico ruso. [8] Esta especie de Methanobacterium utiliza solo hidrógeno, dióxido de carbono y formato como combustible. [8] A diferencia de otras Methanobacteria , no utiliza acetato para crecer. [8]
Methanobacterium thermoautotrophicum Marburg puede sufrir una transformación genética natural , la transferencia de ADN de una célula a otra. [12] La transformación genética en especies arqueales, en general, parece ser una adaptación para reparar el daño del ADN en una célula utilizando información de ADN intacta derivada de otra célula. [13]
Se encontró Methanobacterium thermagedans a partir de la fermentación por lotes alimentados. [14] M. thermagedans es alcofílica y termófila. [14] Esto se basó en los hallazgos de que M. thermagedans puede alterar un aumento de las velocidades de agitación que se utilizan para aumentar la formulación de metano. [14]
Se ha secuenciado el genoma de siete Methanobacterium y Methanobrevibacter diferentes. [9] Methanobacterium tiene una cepa que demuestra un genoma de aproximadamente 1.350 secuencias. [15] Alrededor de 190 de esas cepas son específicas en genes BRM9, que están correlacionados con proteínas o profagos. [15] Incluye metanógenos mesófilos de varias condiciones anaeróbicas . [15] Sin embargo, llevan una pequeña cantidad de metanógeno característico dentro del rumen. [15] Estos genes, que se utilizan para su metabolismo central y su pared celular de pseudomureína , proponen que la especie es capaz de inhibición por el inhibidor de molécula pequeña y la vacuna. [15] Esto está determinado por los dispositivos de alivio de metano que tienen la capacidad de hacer crecer los genes que se encuentran en el rumen. [15]
Las metanobacterias desempeñan un papel en los procesos de eliminación de desechos y de desechos de agua debido a su capacidad de degradar sustancias orgánicas. [16] Las metanobacterias normalmente se aíslan de entornos naturales deficientes en oxígeno, como agua dulce, sedimentos marinos, suelos húmedos, el rumen y los intestinos de animales, humanos e insectos. [16] A través de hallazgos moleculares del ARNr 1 6S y el gen mcrA, que codifica la metil coenzima M reductasa en la subunidad alfa , se muestra que existen metanógenos adicionales no identificados en otros ecosistemas. [16]
Las Methanobacterium son generalmente microbios con forma de bacilo . [2] Debido a que hay muchas especies diferentes en el género Methanobacterium , hay una variedad de formas, tamaños y disposiciones que estos microbios pueden poseer. [17] Estos microbios con forma de varilla pueden ser curvos, rectos o torcidos. [2] También pueden variar en tamaño, pueden ser cortos o largos y se pueden encontrar individualmente, en pares o en cadenas. [17] Algunas especies de Methanobacterium incluso se pueden encontrar en grandes grupos o agregados que consisten en largas cadenas entrelazadas de microbios individuales. [18]
Se han aislado y estudiado en profundidad muchas cepas de Metanobacterias . Una cepa particular de Metanobacterias que se ha aislado y estudiado es Methanobacterium thermoautotrophicum. [19] Esto reveló la presencia de membranas intracitoplasmáticas, un sistema de membrana interna que consta de 3 membranas apiladas una sobre otra sin un citoplasma que las separe. [19] Methanobacterium palustre es otra cepa que confirma aún más una característica importante de Metanobacterias : una pared celular grampositiva , que carece de una capa de peptidoglicano fuera de su membrana citoplasmática. [20] La pared celular de la familia Metanobacterias consiste en pseudomureína , [21] una estructura de carbohidratos y un péptido de reticulación con aminoácidos que forman los enlaces peptídicos y sirven a la naturaleza del enlace y al tipo de azúcar. [22]
Las metanobacterias son anaerobias estrictas , lo que significa que no pueden sobrevivir en presencia de oxígeno. [2] La mayoría de las especies que pertenecen a este género también son autótrofas que crean compuestos orgánicos a partir de materiales inorgánicos como el dióxido de carbono. [17] Las metanobacterias se pueden clasificar como metanógenos hidrogenotróficos. [17] Los metanógenos hidrogenotróficos utilizan hidrógeno, dióxido de carbono, formato y alcoholes para sintetizar metano. [17] Estos sustratos también son importantes para el crecimiento y mantenimiento de las metanobacterias . [17] La metanogénesis es una parte vital del ciclo del carbono, ya que realiza la conversión de carbono orgánico en gas metano. [7]
Esta parte del ciclo del carbono se denomina ciclo de metanogénesis . Es un proceso que implica tres tipos diferentes de reducción de dióxido de carbono, que en última instancia conducen a la producción de metano. [7] Sin embargo, dentro de cada vía separada, hay productos intermediarios que se utilizan como sustratos en alguna otra parte del ciclo. La interconexión de productos y sustratos se define mediante el término sintrópico . [7] Los sustratos del ciclo se pueden organizar en 3 grupos según si la reducción autótrofa de dióxido de carbono (CO 2 ) fue con gas hidrógeno (H 2 ) , formiato (CH 2 O 2 ) o alcoholes secundarios . [3] Algunos miembros de este género pueden usar formiato para reducir metano ; otros viven exclusivamente a través de la reducción de dióxido de carbono con hidrógeno . [7]
Las especies de Methanobacterium suelen prosperar en entornos con temperaturas de crecimiento óptimas que oscilan entre 28 y 40 °C. [4] Las metanobacterias están ampliamente distribuidas en entornos geotérmicos como fuentes termales y respiraderos hidrotermales. [4] Este rango de temperatura mesófila indica que los organismos de Methanobacterium están adaptados a condiciones ambientales moderadas, ni extremadamente calientes ni extremadamente frías. [23] Esta preferencia de temperatura les permite habitar una variedad de entornos anaeróbicos, incluidos el suelo, los sedimentos y los tractos digestivos de los animales, donde las condiciones a menudo caen dentro de este rango mesófilo. [4] Dentro de estos hábitats, las especies de Methanobacterium contribuyen a la producción de metano a través de su metabolismo hidrogenotrófico, utilizando hidrógeno y dióxido de carbono como sustratos metabólicos. [4]
Las especies de Methanobacterium habitan en diversos ambientes anaeróbicos, mostrando un rango ecológico versátil. [2] Se pueden encontrar en diversos hábitats como el suelo, los humedales, las capas de sedimentos, las plantas de tratamiento de aguas residuales y los tractos gastrointestinales de los animales. [4] Dentro de estos entornos, las especies de Methanobacterium juegan un papel crucial en los ecosistemas microbianos anaeróbicos, contribuyendo a procesos como la descomposición de materia orgánica a través de la producción de metano mediante la vía de la metanogénesis . [4]
La metanobacteria se encuentra en el colon humano. [24] Participa en la gestión de la cantidad de calorías que se consumen, influyendo en el proceso de descomposición bacteriana . [24]
Hay dos grupos específicos que han sido aislados y cultivados a partir de los intestinos humanos. [25] Sin embargo, también se han descubierto metanógenos en el calostro y la leche materna de madres sanas y lactantes . [25] Esto se descubrió a partir de la realización de las técnicas de reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa (qPCR), cultivo y secuenciación de amplicones . [25]
En el intestino humano se encuentra una especie de Methanobacterium llamada M. smithii . [25] M. smithii es capaz de integrar glicanos en el intestino para su fijación, lo que se utiliza para regular la expresión de proteínas. [25] Un aumento de la concentración de metano en los residuos humanos se correlaciona con el IMC . [25]
Los metanógenos eliminan el hidrógeno que permanece en el intestino, basándose en la acumulación de hidrógeno en los intestinos que puede reducir la productividad de las actividades microbianas. [25] Los metanógenos también pueden usarse como probióticos . [25] Esto es posible ya que los metanógenos son capaces de utilizar la trimetilamina como sustrato para la metanogénesis. [25] La trimetilamina es producida en los intestinos humanos por bacterias intestinales. [25] Un aumento de trimetilamina puede causar enfermedades cardiovasculares . [25] Estos metanógenos pueden utilizar hidrógeno para disminuir la trimetilamina mientras crece en los intestinos. [25]
La taxonomía actualmente aceptada se basa en la Lista de nombres procariotas con relevancia en la nomenclatura [26] y el Centro Nacional de Información Biotecnológica . [27]
Especies no asignadas: