Arqueas: Pioneras en la Producción de Hidrógeno desde Hace Mil Millones de Años
A medida que el mundo se vuelca hacia el hidrógeno verde y otras fuentes de energía renovable, científicos han descubierto que las arqueas, la tercera forma de vida junto a las bacterias y eucariotas, han estado produciendo energía utilizando gas hidrógeno y enzimas «ultraminimalistas» durante miles de millones de años.
Un equipo internacional de investigadores ha descubierto que al menos nueve filos de arqueas, un dominio de organismos unicelulares sin estructuras internas con membrana, producen gas hidrógeno utilizando enzimas que se pensaba que solo existían en las otras dos formas de vida.
Las arqueas no solo poseen las enzimas que utilizan hidrógeno más pequeñas en comparación con bacterias y eucariotas, sino que sus enzimas para consumir y producir hidrógeno son también las más complejas caracterizadas hasta ahora.
Pequeñas pero poderosas, estas enzimas han permitido aparentemente a las arqueas sobrevivir y prosperar en algunos de los entornos más hostiles de la Tierra, donde hay poco o ningún oxígeno.
«Los humanos han empezado a pensar en el hidrógeno como fuente de energía recientemente, pero las arqueas han estado haciéndolo durante mil millones de años», dice Pok Man Leung, un microbiólogo de la Universidad Monash en Australia que co-lideró el estudio.
«Los biotecnólogos ahora tienen la oportunidad de inspirarse en estas arqueas para producir hidrógeno industrialmente».
El hidrógeno es el elemento más abundante en el Universo y se usa globalmente para fabricar fertilizantes y otros productos químicos, tratar metales, procesar alimentos y refinar combustibles.
Pero el futuro del hidrógeno radica en el almacenamiento de energía y la fabricación de acero, los cuales podrían producirse sin emisiones si se utiliza energía renovable para convertir materiales como el agua en gas hidrógeno.
Los microorganismos producen y liberan gas hidrógeno (H2) con propósitos completamente diferentes, principalmente para deshacerse de los electrones excedentes producidos durante la fermentación, un proceso mediante el cual los organismos extraen energía de los carbohidratos como los azúcares sin oxígeno.
Las enzimas utilizadas para consumir o producir H2 se llaman hidrogenasas, y fueron investigadas exhaustivamente a través del árbol de la vida por primera vez hace solo ocho años. Desde entonces, el número de especies microbianas conocidas ha explotado, especialmente las arqueas, que se esconden en entornos extremos, como manantiales de agua caliente, volcanes y respiraderos en el fondo del mar.
Sin embargo, la mayoría de las arqueas son conocidas solo por fragmentos de su código genético encontrados en estos entornos, y muchas no han sido cultivadas en el laboratorio debido a la dificultad de hacerlo.
Así que el microbiólogo Chris Greening de la Universidad Monash y sus colegas buscaron el gen que codifica una parte de un tipo de hidrogenasa, las [FeFe] hidrogenasas de acción rápida, en más de 2,300 clusters de especies de arqueas listadas en una base de datos global.
Luego, utilizaron AlphaFold2 de Google para predecir la estructura de las enzimas codificadas, y expresaron esas enzimas en bacterias E. coli, para comprobar que los genes eran funcionales y producían hidrogenasas capaces de catalizar reacciones de hidrógeno en su huésped sustituto.
«Nuestro hallazgo nos acerca un paso más a entender cómo este proceso crucial dio lugar a todos los eucariotas, incluidos los humanos», dice Leung.
Los eucariotas son organismos cuyas células contienen un núcleo y orgánulos unidos a la membrana, como las mitocondrias y otras fábricas celulares útiles.
Se cree que todos los eucariotas surgieron de la unión de una arquea anaerobia y una bacteria que se la comió hace miles de millones de años. Una segunda endosimbiosis, mucho más tardía, dio lugar al ancestro de las plantas, con cloroplastos.
Greening, Leung y sus colegas encontraron las instrucciones genéticas para las [FeFe] hidrogenasas en nueve filos de arqueas y confirmaron que están activas en esos microorganismos, lo que hace que los tres dominios de la vida usen este tipo de enzimas para producir hidrógeno.
Pero a diferencia de las bacterias y eucariotas, análisis adicionales mostraron que las arqueas ensamblan «complejos híbridos notables» para sus necesidades de producción de hidrógeno, fusionando dos tipos de hidrogenasas.
«Estos hallazgos revelan nuevas adaptaciones metabólicas de las arqueas, catalizadores de H2 optimizados para el desarrollo biotecnológico y una historia evolutiva sorprendentemente entrelazada entre las dos principales enzimas metabolizadoras de H2», escriben los investigadores en su artículo.
Muchos de los genomas de arqueas catalogados y analizados en este estudio están incompletos, y quién sabe cuántas más especies quedan por descubrir.
Es muy probable que las arqueas alberguen otras formas ingeniosas de producir energía que aún no hemos encontrado.
La investigación ha sido publicada en la revista Cell.
