Una tesis doctoral de la Universidad de Girona arroja luz sobre el papel del hidrógeno en la electrosíntesis microbiana

Desde hace tiempo, la lucha contra el cambio climático tiene lugar en diferentes frentes. Uno de las más importantes son las llamadas tecnologías de captura y utilización del dióxido de carbono, que no sólo reducen las emisiones de gases de efecto invernadero, sino que además, transforman el carbono captado en productos de valor añadido.

El Grupo de Investigación en Ecología Microbiana Molecular (gEMM) y el Laboratorio de Ingeniería Química y Ambiental (LEQUIA) de la Universitat de Girona trabajan en una de estas tecnologías desde hace más de una década: la electrosíntesi microbiana (en inglés: microbial electrosynthesis, MES). La electrosíntesis microbiana aprovecha las propiedades eléctricas de algunos microorganismos (sobretodo, bacterias y arqueas) para reducir el dióxido de carbono. Solo se precisa una pequeña cantidad de energía eléctrica y agua, así como controlar la producción de hidrógeno como compuesto intermedio clave. Siguiendo este principio, a escala laboratorio ya se han sintetizado con éxito distintos compuestos orgánicos, como, por ejemplo, metano, butanol, etanol o acetato. Sin embargo, la implementación del proceso a escala industrial aún presenta una serie de limitaciones.

Elisabet Perona Vico ha aplicado técnicas de microbiología molecular, electroquímica e ingeniería genética para superar estas limitaciones. Así, para estudiar los genes potencialmente implicados en la transferencia de electrones utilizó un reactor electrometanogénico. El análisis de la composición de la comunidad microbiana, usando el ADN i el ADN complementario, destacaron Methanobacterium sp. como principal arquea. Para determinar les niveles de expresión génica de [NiFe]-hidrogenasas (Eha, Ehb y Mvh), heterodisulfuro reductasa (Hdr), coenzima F₄₂₀ [NiFe]-hydrogenasa (Frh) y la proteína de maduración Hyp, se indujeron cambios en el flujo de electrones (circuito eléctrico abierto o cerrado). Los resultados obtenidos por RT-PCR sugerían que los mecanismos implicados en la transferencia de electrones no estaban regulados a nivel de transcripción.

Otro aspecto destacable de su tesis doctoral es el estudio de los microorganismos que pueden ser potenciales bio-productores de H₂ en los biocátodos. Concretamente, se ha estudiado la producción biológica de H₂ en biocátodos operados a -1.0 V vs. Ag/AgCl, usando una metodología comparable y CO₂ como fuente de carbono. Se escogieron diez cepas bacterianas de los géneros Rhodobacter, Rhodopseudomonas, Rhodocyclus, Desulfovibrio y Sporomusa, todos ellos descritos como potenciales candidatos para la producción de H₂. Ocho de las diez cepas testadas mostraron electroactividad y las tasas de producción de H₂ fueron significativamente superiores respeto a las condiciones abióticas (de 2 a 8 veces) en dos de ellas (Desulfovibrio paquesii DSM 16681 y Desulfovibrio desulfuricans DSM 642).

Los resultados indicaron que la aplicación de biocátodos para la producción sostenida de H₂ puede no ser suficientemente eficiente para el mantenimiento de los requerimientos que deben permitir incentivar el metabolismo de otras cepas microbianas. Por esto, hemos aplicado métodos de ingeniería genética para incrementar la habilidad de D. paquesii para la producción de H₂. Los genes seleccionados para ser sobre-expresados fueron la [Fe]-hidrogenasa y el citocromo c3 en dos cepas, D. vulgaris DSM 644 y D. paquesii DSM 16681. Se testaron varias condiciones y protocolos experimentales para la implementación de los mecanismos adecuados que asegurasen la sobreexpresión de los genes seleccionados, pero no se obtuvieron los resultados deseados.

La tesi de Elisabet Perona Vico contribuye a entender mejor el papel clave del H₂ durante la electrosíntesis microbiana y permite formular distintas conclusiones. La primera, que ampliar el conocimiento sobre los mecanismos de transferencia de electrones debe permitir un mayor control de los sistemas bioelectroquímicos. La segunda, que el requerimiento de H₂ que permite operar los procesos bioelectroquímicos de manera sostenida, puede suministrarse usando microorganismos con la capacidad de producir H₂. Por último, la tesis corrobora que la aplicación de la biología sintética, así como de los co-cultivos definidos, son dos contribuciones prometedoras en el campo de las tecnologías electroquímicas. La defensa de la tesis que ha sido dirigida por los Dres. Lluís Bañeras (gEMM) y Sebastià Puig (LEQUIA), tendrá lugar el próximo viernes 28 de enero a las 11:00h en el Aula Magna de la Facultat de Ciències de la UdG.