Un exoelectrógeno normalmente se refiere a un microorganismo que tiene la capacidad de transferir electrones extracelularmente . Si bien exoelectrógeno es el nombre predominante, se han utilizado otros términos: bacterias electroquímicamente activas, bacterias que respiran en ánodo y electricígenos. [1] Los electrones exocitosis de esta manera se producen después de la producción de ATP utilizando una cadena de transporte de electrones (CTE) durante la fosforilación oxidativa . La respiración celular convencional requiere un aceptor final de electrones para recibir estos electrones. Las células que utilizan oxígeno molecular (O 2 ) como su aceptor final de electrones se describen como que utilizan respiración aeróbica , mientras que las células que utilizan otros compuestos solubles como su aceptor final de electrones se describen como que utilizan respiración anaeróbica . [2] Sin embargo, el aceptor final de electrones de un exoelectrógeno se encuentra extracelularmente y puede ser un agente oxidante fuerte en solución acuosa o un conductor sólido/ aceptor de electrones . Dos aceptores observados comúnmente son los compuestos de hierro (específicamente óxidos de Fe(III) ) y los compuestos de manganeso (específicamente óxidos de Mn(III/IV) ). [3] [4] [5] Como el oxígeno es un oxidante fuerte, las células pueden hacer esto estrictamente en ausencia de oxígeno. [6]
Actualmente se está investigando la utilización de exoelectrógenos en el desarrollo de celdas de combustible microbianas (MFC) , que tienen el potencial de convertir material orgánico como lodos activados del tratamiento de aguas residuales en etanol , gas hidrógeno y corriente eléctrica . [1] [7]
Si bien el proceso exacto en el que una célula reducirá un aceptor extracelular variará de una especie a otra, se ha demostrado que los métodos implican el uso de una vía de oxidorreductasa que transportará electrones a la membrana celular que está expuesta al ambiente externo. [3] Esta vía se separa de la vía de la cadena de transporte de electrones después de que el complejo citocromo bc1 (complejo III) es oxidado por citocromos de tipo c diseñados para mover electrones hacia la cara extracelular de su membrana más externa en lugar de hacia la citocromo c oxidasa (complejo IV) . MtrC y OmcA son ejemplos de dichos citocromos de tipo c que se encuentran de forma endógena en la membrana externa de Shewanella oneidensis MR-1 a gammaproteobacterium , aunque existen muchas otras variaciones (Figura 1). [3] [4] [5] [7] [8]
Además de liberar electrones a un aceptor final de electrones exógeno, la transferencia externa de electrones puede cumplir otros propósitos. En primer lugar, las células pueden transferir electrones directamente entre sí sin la necesidad de una sustancia intermediaria. Se ha observado que Pelotomaculum thermopropioncum está vinculado a Methanothermobacter thermautotrophicus por un pilus (estructuras celulares externas utilizadas en la conjugación y la adhesión ) que se determinó que es eléctricamente conductor. En segundo lugar, los electrones extracelulares pueden cumplir un papel en la comunicación como señal de quórum en biopelículas . [1]
Además de S. oneidensis MR-1 , se ha observado actividad exoelectrogénica en las siguientes cepas de bacterias sin un mediador exógeno: Shewanella putrefaciens IR-1 , Clostridium butyricum , Desulfuromonas acetoxidans , Geobacter metallireducens , Geobacter sulfurreducens , Rhodoferax ferrireducens , Aeromonas hydrophilia (A3) , Pseudomonas aeruginosa , Desulfobulbus propionicus , Geopsychrobacter electrodiphilus , Geothrix fermentans , Shewanella oneidensis DSP10 , Escherichia coli , Rhodopseudomonas palustris , Brucella anthropi YZ-1 , Desulfovibrio desulfuricans , Acidiphilium sp.3.2Sup5 , Klebsiella pneumoniae L17 , Cepa Thermincola sp. JR , Pichia anomala . [1]
Se ha demostrado que las enzimas oxidorreductasas reducidas en la membrana extracelular utilizan los siguientes métodos para transferir sus electrones al aceptor final exógeno: contacto directo, transporte a través de mediadores excretados, agentes quelantes de hierro, [9] a través de una biopelícula conductora y a través de pili conductores (Figura 2). Sin embargo, existe la posibilidad de que estos métodos no sean mutuamente excluyentes, [8] y el método utilizado puede depender de las condiciones ambientales. En bajas densidades de población microbiana, el uso de lanzaderas de electrones y quelantes sintetizados por el exoelectrógeno puede ser energéticamente costoso debido a las concentraciones insuficientes de dichas moléculas requeridas para la recuperación y reutilización. [9] En estas circunstancias, la transferencia directa sería favorecida; sin embargo, los beneficios energéticos superarían las demandas de energía cuando la comunidad microbiana es de tamaño suficiente.
La reducción directa de un aceptor exógeno se logra a través del contacto entre las oxidorreductasas de la célula y el aceptor terminal de electrones (es decir, un electrodo o un compuesto metálico externo). Si bien estas proteínas son diversas (adoptan formas unidas a la membrana o solubles), sus ubicaciones comunes en la membrana externa o el periplasma en bacterias Gram-negativas y Gram-positivas proporcionan un contacto íntimo para la transferencia de electrones. [10]
Además, la presencia de lanzaderas de electrones aumenta drásticamente la tasa de transferencia directa. [4] Como ejemplo en Shewanella oneidensis MR-1 , el transporte se caracteriza a través de una serie de proteínas redox y estructurales [11] que se extienden desde la membrana citoplasmática hasta la superficie celular externa (similar a la Figura 1). Se secretan flavinas que se cree que cierran la "brecha" entre las proteínas de la superficie celular y el metal externo, lo que puede aliviar la necesidad de contacto inmediato y facilitar la transferencia a distancia. [9] Además, dado que los citocromos generalmente reconocen superficies específicas en el metal del sustrato, [10] las flavinas solubles pueden actuar como un puente universal que permite la donación de electrones a una variedad de diferentes formas y tamaños de metal, [4] lo que puede ser útil en aplicaciones de celdas de combustible microbianas. También se ha planteado la hipótesis de que las flavinas se unen a las proteínas de transferencia de electrones terminales como cofactores para aumentar las tasas de oxidación. [11]
En el caso de Geobacter sulferreducens , se utiliza el transportador de electrones riboflavina ; sin embargo, el transportador de electrones no es totalmente soluble y puede unirse de forma débil en la biopelícula del cultivo, lo que da como resultado una biopelícula altamente conductora. Además, G. sulferreducens produce pili (nanocables) conductores de electricidad con enzimas oxidorreductasas OmcS incrustadas en su superficie, [12] lo que demuestra el uso de múltiples métodos de transferencia exoelectrogénica.
En la quelación del hierro , los compuestos de óxido férrico insolubles se solubilizan en soluciones acuosas. Como la biodisponibilidad del hierro es escasa, muchos microbios secretan compuestos quelantes de hierro para solubilizar, absorber y secuestrar el hierro para diversos procesos celulares. Ciertos exoelectrógenos han demostrado la capacidad de utilizar dichos compuestos para el transporte de electrones mediante la solubilización del hierro extracelularmente [10] y su entrega a la superficie celular o dentro de la célula. Los componentes utilizados en cada vía son filogenéticamente diversos [11] , por lo que algunos agentes quelantes pueden reducir el hierro fuera de la célula actuando como lanzaderas de electrones, mientras que otros pueden entregar hierro a la célula para la reducción unida a la membrana [10] .