La Shewanella oneidensis es una bacteria que destaca por su capacidad de reducir iones metálicos y vivir en ambientes con o sin oxígeno . Esta proteobacteria fue aislada por primera vez en el lago Oneida , Nueva York, en 1988, de ahí su nombre. [1]
Shewanella oneidensis es una bacteria facultativa , capaz de sobrevivir y proliferar tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas . El interés especial en S. oneidensis MR-1 gira en torno a su comportamiento en un entorno anaeróbico contaminado por metales pesados como hierro , plomo y uranio . Los experimentos sugieren que puede reducir el mercurio iónico a mercurio elemental [2] y la plata iónica a plata elemental. [3] Sin embargo, la respiración celular de estas bacterias no se limita a los metales pesados; las bacterias también pueden dirigirse a los sulfatos , nitratos y cromatos cuando se cultivan anaeróbicamente.
Esta especie se conoce como S. oneidensis MR-1, lo que indica "reducción de manganeso", una característica especial de este organismo. Es un error común pensar que MR-1 se refiere a "reducción de metales" en lugar de la idea original de "reducción de manganeso", como observó Kenneth H. Nealson, quien aisló por primera vez el organismo.
La Shewanella oneidensis MR-1 pertenece a una clase de bacterias conocidas como " bacterias reductoras de metales disimiladoras (DMRB)" debido a su capacidad de combinar la reducción de metales con su metabolismo. El medio para reducir los metales es particularmente controvertido, ya que las investigaciones realizadas con microscopio electrónico de barrido y microscopio electrónico de transmisión revelaron protuberancias estructurales anormales que se asemejan a filamentos bacterianos que se cree que participan en la reducción de metales. Este proceso de producción de un filamento externo está completamente ausente de la respiración bacteriana convencional y es el centro de muchos estudios actuales.
La mecánica de la resistencia de esta bacteria y el uso de iones de metales pesados está profundamente relacionada con su red de vías metabólicas. Se ha demostrado que los transportadores de eflujo de múltiples fármacos, las proteínas de desintoxicación, los factores sigma extracitoplasmáticos y los reguladores del dominio PAS tienen una mayor actividad de expresión en presencia de metales pesados. La proteína SO3300 de la clase del citocromo c también tiene una transcripción elevada. [4] Por ejemplo, al reducir U(VI), se utilizan citocromos especiales como MtrC y OmcA para formar nanopartículas de UO 2 y asociarlas con biopolímeros. [5]
En 2017, los investigadores utilizaron una molécula sintética llamada DSFO+ para modificar las membranas celulares de dos cepas mutantes de Shewanella. La DSFO+ podría reemplazar por completo las proteínas naturales conductoras de corriente, aumentando la energía que generaba el microbio. El proceso fue solo una modificación química que no modificó el genoma del organismo y que se dividió entre la descendencia de la bacteria, diluyendo el efecto. [6]
La película es una variedad de biopelícula que se forma entre el aire y el líquido en el que crecen las bacterias. [7] En una biopelícula, las células bacterianas interactúan entre sí para proteger su comunidad y cooperar metabólicamente (comunidades microbianas). [8] En S. oneidensis , la formación de películas es típica y está relacionada con el proceso de reducción de metales pesados. La formación de películas se investiga ampliamente en esta especie. La película generalmente se forma en tres pasos: las células se adhieren a la triple superficie del dispositivo de cultivo, aire y líquido, luego desarrollan una biopelícula de una capa a partir de las células iniciales y posteriormente maduran hasta una estructura tridimensional complicada. [9] En una película desarrollada, varias sustancias entre las células ( sustancias poliméricas extracelulares ) ayudan a mantener la matriz de la película. El proceso de formación de películas involucra actividades microbianas significativas y sustancias relacionadas. Para las sustancias poliméricas extracelulares, se requieren muchas proteínas y otras biomacromoléculas.
En el proceso también se requieren muchos cationes metálicos. El control con EDTA y las pruebas exhaustivas de presencia/ausencia de cationes muestran que Ca(II), Mn(II), Cu(II) y Zn(II) son esenciales en este proceso, probablemente funcionando como parte de una coenzima o grupo prostético. Mg(II) tiene un efecto parcial, mientras que Fe(II) y Fe(III) son inhibidores hasta cierto punto. Se considera que los flagelos contribuyen a la formación de la película. La biopelícula necesita que las células bacterianas se muevan de una manera determinada, mientras que los flagelos son los orgánulos que tienen una función locomotora. [10] Las cepas mutantes que carecen de flagelos aún pueden formar películas, aunque mucho menos rápidamente.
La Shewanella oneidensis MR-1 puede cambiar el estado de oxidación de los metales. Estos procesos microbianos permiten la exploración de nuevas aplicaciones, por ejemplo, la biosíntesis de nanomateriales metálicos. [3] A diferencia de los métodos químicos y físicos, los procesos microbianos para sintetizar nanomateriales se pueden lograr en fase acuosa en condiciones suaves y ambientalmente benignas. Se pueden utilizar muchos organismos para sintetizar nanomateriales metálicos. La S. oneidensis es capaz de reducir una amplia gama de iones metálicos de forma extracelular y esta producción extracelular facilita enormemente la extracción de nanomateriales. Las cadenas de transporte de electrones extracelulares responsables de transferir electrones a través de las membranas celulares están relativamente bien caracterizadas, en particular los citocromos de tipo c de la membrana externa MtrC y OmcA. [11] Un estudio de 2013 sugirió que es posible alterar el tamaño de partícula y la actividad de las nanopartículas biogénicas extracelulares mediante la expresión controlada de los genes que codifican las proteínas de superficie. Un ejemplo importante es la síntesis de nanopartículas de plata por S. oneidensis , donde su actividad antibacteriana puede verse influenciada por la expresión de los citocromos de tipo c de la membrana externa. Las nanopartículas de plata se consideran una nueva generación de antimicrobianos , ya que exhiben actividad biocida hacia una amplia gama de bacterias y están ganando importancia con la creciente resistencia a los antibióticos por parte de las bacterias patógenas. [3] Se ha observado que Shewanella en entornos de laboratorio biorreduce una cantidad sustancial de paladio y declora cerca del 70% de los bifenilos policlorados (PCB). [12] La producción de nanopartículas por S. oneidensis MR-1 está estrechamente asociada a la vía MTR [3] (por ejemplo, nanopartículas de plata) o la vía de la hidrogenasa [13] (por ejemplo, nanopartículas de paladio).
La capacidad de Shewanella oneidensis para reducir y absorber metales pesados la convierte en candidata para su uso en el tratamiento de aguas residuales . [6]
DSFO+ podría permitir que las bacterias se comuniquen eléctricamente con un electrodo y generen electricidad en una aplicación de aguas residuales. [6]
Como anaerobio facultativo con una vía de transporte de electrones ramificada , S. oneidensis se considera un organismo modelo en microbiología . En 2002, se publicó su secuencia genómica. Tiene un cromosoma circular de 4,9 Mb que se predice que codifica 4.758 marcos de lectura abiertos de proteínas . Tiene un plásmido de 161 kb con 173 marcos de lectura abiertos. [14] Se realizó una nueva anotación en 2003. [15] [16] [17]