Los microorganismos producen carbono elemental

Investigadores identifican un nuevo tipo de producción de carbono puro por parte de microorganismos

29.10.2021 - Alemania

La vida en la Tierra se basa en el carbono. A lo largo de la evolución, los organismos vivos han aprendido a formar y procesar un gran número de compuestos de carbono diferentes. El carbono es la piedra angular de la mayoría de los compuestos orgánicos producidos biológicamente, como las proteínas, los hidratos de carbono, las grasas y el ADN. Todos estos compuestos contienen, además de carbono, muchos otros elementos, como hidrógeno, nitrógeno y oxígeno.

El carbono elemental se forma a partir de compuestos orgánicos de carbono en la Tierra sin influencia biológica cuando las condiciones de alta temperatura y presión expulsan todos los demás elementos, como el hidrógeno y el nitrógeno. Por ejemplo, la madera del subsuelo se convierte primero en carbón bajo altas temperaturas, y luego, al aumentar la presión y la temperatura, se forman formas con muy alto contenido de carbono como la antracita y el grafito. Se trata de formas cristalinas de carbono. Cuando se quema la madera, el gas o el petróleo, se forma hollín, que consiste principalmente en una forma amorfa de carbono. Hasta ahora se desconocía que los propios organismos vivos también pueden producir carbono elemental.

El Dr. Gunter Wegener, científico de Bremen, lleva más de 15 años cultivando microorganismos que consumen metano sin oxígeno para producir la energía que necesitan. Se trata de arqueas que viven en simbiosis con socios bacterianos. De este proceso no se puede obtener mucha energía para ninguno de los dos socios, por lo que los consorcios crecen con tiempos de duplicación de varios meses, que es un tiempo muy largo para los microorganismos. Los investigadores observaron hace tiempo que los consorcios microbianos eran inusualmente oscuros, casi negros. En una primera fase, una parte de esta masa negra ya había sido descrita como sulfuros metálicos. Estos se forman a partir del hierro que se añade al medio de cultivo y del sulfuro producido por las bacterias asociadas.

Los colegas de Wegener, la Dra. Kylie Allen y el Prof. Robert White, de Virginia Tech (EE UU), siempre están buscando nuevas biomoléculas y sus funciones. Como parte de sus esfuerzos, extrajeron los cultivos oxidantes de metano de las muestras del laboratorio de Gunter Wegener utilizando disolventes orgánicos. Quedaba un residuo de material negro que no podía disolverse con ácidos o bases fuertes. "Al principio no teníamos ni idea de qué podía ser esta masa negra", explica Robert White. "Luego utilizamos otros métodos para analizar el material como fase sólida y descubrimos que era carbono casi puro. Existía en una forma muy desordenada conocida como carbono amorfo". ¿De dónde procedía este carbono elemental? El equipo descartó la posibilidad de un origen químico puro. A continuación, alimentaron el cultivo con carbono etiquetado isotópicamente, que puede ser rastreado en el proceso de descomposición, y analizaron el carbono formado. "Así pudimos demostrar que las arqueas oxidantes de metano eran efectivamente responsables de la formación de carbono elemental", dice Gunter Wegener.

A continuación, los investigadores investigaron las archaeas formadoras de metano, o metanógenas, que están estrechamente relacionadas con las oxidantes de metano. "Aunque no en el mismo grado, muchos de estos grupos también producían carbono elemental", afirma Robert White.

El estudio, sin embargo, está generando más preguntas que respuestas. Por ejemplo, ¿cómo se forma este carbono? La formación de carbono elemental requiere normalmente altas presiones y temperaturas. Ambas cosas estaban ausentes en los cultivos. "Este tipo de formación de carbono elemental por parte de los organismos es completamente nuevo para la ciencia. En las arqueas deben producirse reacciones que hasta ahora eran completamente desconocidas", explica Kylie Allen, autora principal del estudio. "Todavía no sabemos en absoluto qué reacciones bioquímicas y enzimas están actuando aquí".

La cuestión del "por qué" tampoco se ha explicado todavía. "El carbono elemental es un buen conductor eléctrico. El carbono puede ser la clave de la simbiosis entre las arqueas y sus compañeros", especula Gunter Wegener. Las cargas eléctricas podrían ser transportadas de forma óptima a través de compuestos basados en el carbono. También se desconoce por completo la cantidad de carbono elemental que forman los microorganismos en la naturaleza. "Dado que el carbono se deposita en los sedimentos y permanece allí durante periodos de tiempo muy largos, nuestros resultados podrían implicar también un sumidero natural de carbono hasta ahora desconocido". El equipo empezará ahora a abordar las preguntas sin respuesta, en parte en el marco del Grupo de Excelencia "El fondo oceánico - La interfaz inexplorada de la Tierra", que tiene su sede en el MARUM.

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Publicación original

Kylie D. Allen, Gunter Wegener, D. Matthew Sublett Jr, Robert J. Bodnar, Xu Feng, Jenny Wendt, Robert H. White; "Biogenic formation of amorphous carbon by anaerobic methanotrophs and select methanogens"; Science Advances; 2021

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