Al igual que las arqueas que consumen etano, obtienen su plato predilecto

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Esta idea es el resultado de la estrecha colaboración de varios grupos de investigación en el Instituto Max Planck de Microbiología Marina. Un equipo de Cedric Hahn y Gunter Wegener descubrió recientemente microbios que degradan el etano en los respiraderos hidrotermales de la Cuenca de Guaymas a una profundidad de agua de 2.000 metros en el Golfo de California. Lo llamaron Ethanopedens thermophilum, que significa «devorador de etano amante del calor». Cedric Hahn, estudiante de doctorado del grupo de investigación de Ecología Molecular, cultivó microbios que degradan el etano en el laboratorio. Hahn, Wegener y sus colegas del grupo de investigación de Metabolismo Microbiano, Tristan Wagner y Olivier Lemaire examinaron más de cerca estos microorganismos. Este trabajo colaborativo ha descubierto los secretos detrás de la fijación del etano. «Nos sorprendió lo que encontramos. Además de una similitud global, algunas características de la enzima difieren fundamentalmente de su contraparte, la enzima responsable de la descomposición del metano», dice Gunter Wegener, científico del Grupo de Investigación de Deep-Sea Ecología y Tecnología.

Los consumidores de etano dependen de la misma enzima que los consumidores de metano

En los sedimentos de aguas profundas, el calor geotérmico conduce a la degradación de la materia orgánica en petróleo y gases naturales como el etano. El etano es consumido por varios microorganismos que forman el llamado consorcio: arqueas, que descomponen el gas natural, y bacterias, que unen los electrones liberados en el proceso de reducción del sulfato, un compuesto abundante en el océano. El descubrimiento de microbios que comen etano ha traído un soplo de aire fresco a la investigación. En comparación con los microbios que comen metano que tardan mucho en crecer, los especialistas en etano crecen mucho más rápido y se duplican cada semana. De este modo, se reducen los tiempos de producción de biomasa, lo que permite intentos de purificación y caracterización de enzimas clave que catalizan la oxidación del gas natural.

Para probar las similitudes entre las enzimas que catalizan la activación del etano y el metano, Cedric Hahn agregó un conocido inhibidor molecular de la oxidación del metano a su cultivo. Este tratamiento también abolió la oxidación del etano. «Esto sugirió que las arqueas oxidantes de etano activan el etano en reacciones enzimáticas similares a las que actúan en la degradación / generación de metano», dice Cedric Hahn. Estas enzimas son una habilidad clave de Tristan Wagner, quien las ha estado estudiando durante varios años.

Una estructura mostrada con un asombroso nivel de precisión.

Cedric Hahn y Olivier Lemaire, los dos primeros autores del artículo ahora publicado en Ciencias, luego trató de purificar la enzima responsable de la fijación del etano. «El proyecto fue muy exigente», dice Olivier Lemaire. «Por lo general, purificamos enzimas a partir de cantidades mucho mayores de biomasa de un cultivo que contiene un microorganismo. Sin embargo, finalmente producimos cantidades suficientes de enzimas puras para análisis estructurales».

El siguiente paso crítico fue obtener cristales de la enzima para determinar su estructura tridimensional. «La cristalografía de rayos X ha dado excelentes resultados previos en este grupo de enzimas», dice Tristan Wagner, jefe del grupo de investigación del metabolismo microbiano y experto en esta técnica. «Analizamos estos cristales por difracción de rayos X y resolvimos la estructura de la enzima con una resolución atómica sin precedentes. De este modo podemos determinar la posición de los átomos individuales y así obtener una imagen extremadamente precisa de la estructura».

La estructura tiene varias características sin precedentes. «Notamos que la cámara catalítica en la que tiene lugar la reacción química es dos veces más grande que la de las enzimas que capturan el metano, lo que tiene sentido considerando que el etano es más grande que el metano», dice Olivier Lemaire. El cofactor, catalizador de la reacción, contiene dos grupos metilo adicionales. Estos grupos metilo han sido confirmados por Jörg Kahnt del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre, un experto mundial en este cofactor. «Hemos encontrado una proteína que puede ser responsable de estas metilaciones y solo se encuentra en los usuarios de etano», dice Cedric Hahn. Dado que la cámara es más voluminosa, un cofactor normal simplemente no encajaría correctamente y dañaría la reacción. Las metilaciones en el cofactor lo anclan en la posición correcta.

Además, la enzima contiene un túnel que conecta el exterior con la cámara catalítica. Este túnel no existe en ninguna enzima caracterizada similar. Los investigadores demostraron experimentalmente la existencia de este túnel a través de una colaboración con Sylvain Engilberge en el Instituto Paul Scherrer en Suiza, donde los cristales de proteína fueron gaseados con xenón. Se detectó xenón en la cámara catalítica y en el túnel de gas antes mencionado, demostrando su existencia. El túnel se mantiene y estabiliza mediante aminoácidos modificados y extensiones adicionales.

Ahora el foco de atención está en el propano y el butano

La estructura enzimática ilustra cómo estos microbios de infiltraciones geotérmicas activas se han especializado en la captura de etano. Este trabajo permite una comprensión más profunda del primer paso en la degradación del etano, la única fuente de energía de estas arqueas. «Nuestro descubrimiento de que la enzima responsable del proceso tiene rasgos específicos para reconocer el etano en lugar de otros alcanos es un gran paso adelante, sin embargo, comprender todo el proceso de degradación está todavía muy lejos», concluye Tristan Wagner.

Entonces, ¿cómo procedes con la búsqueda? «Nuestro trabajo anterior muestra que la activación de alcanos más largos requiere enzimas similares», dice Gunter Wegener. «Como siguiente paso, queremos investigar cuáles podrían ser las características específicas de las enzimas que catalizan la activación del propano y el butano».

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