A la natura hi ha una xarxa elèctrica formada per bacteris

Els bacteris anomenats ‘electroactius’ es troben en molts dels fons aquàtics del món i, des de molt abans que els humans, construeixen l’equivalent a cables per fer-hi circular corrent elèctric

L’era de l’electricitat va néixer el 4 de setembre del 1882 a les tres de la tarda. Quan l’Edison Illuminating Company va posar en marxa la seva central elèctrica de Pearl Street, va cobrar vida una xarxa de cables de coure que va començar a subministrar corrent elèctric a uns quants edificis del barri. Un d’ells acollia The New York Times. Quan es va fer de nit, els periodistes estaven d’allò més contents amb la llum ininterrompuda de les bombetes elèctriques de Thomas Edison. Com explicaven en un article publicat l’endemà: “La llum era suau, daurada i agradable a la vista; gairebé era com escriure a la llum del dia”.

Però resulta que la xarxa elèctrica ja l’havia inventat la natura. El 1882 ja hi havia milers de quilòmetres de cables instal·lats sota terra a la regió de Nova York: als camps, als aiguamolls i al fons de rius fangosos. I els cables els havien creat uns microbis que els feien servir per conduir electricitat.

Un metabolisme estrany

Fins fa un parell de dècades els bacteris electroactius eren uns totals desconeguts per a la ciència. Però ara que els científics saben què han de buscar, descobreixen aquesta electricitat natural a gran part del món, fins i tot al fons del mar. Aquests bacteris alteren ecosistemes sencers i poden ajudar a controlar la química de la Terra. “No m’agradaria que em prenguessin per boig, però tenim un planeta elèctric”, afirma John Stolz, microbiòleg de la Universitat de Duquesne, a Pittsburgh.

A mitjans dels vuitanta, Stolz col·laborava en l’estudi d’un microbi desconcertant pescat pel seu col·lega Derek Lovley al riu Potomac. El microbi, anomenat Geobacter metallireducens, tenia un metabolisme estrany. “Vaig tardar sis mesos a trobar la manera de cultivar-lo al laboratori”, explica Lovley, ara microbiòleg de la Universitat de Massachusetts, a Amherst.

Com nosaltres, el Geobacter s’alimenta de compostos de carboni. Quan les nostres cèl·lules descomponen aquests compostos per generar energia, deixen anar uns electrons que transfereixen als àtoms d’oxigen, amb la qual cosa es produeixen molècules d’aigua. El Geobacter, però, no podia utilitzar oxigen perquè vivia al fons del Potomac, on aquest element escassejava. Lovley i els seus col·legues van descobrir que el Geobacter transfereix els seus electrons a l’òxid de ferro o rovell. El procés ajuda a convertir l’òxid en un altre compost de ferro, anomenat magnetita. Aquest descobriment va plantejar un enigma als científics. Els humans introduïm oxigen a les nostres cèl·lules per utilitzar-lo, però el Geobacter no agafa òxid de ferro. Així doncs, d’alguna manera el microbi ha de treure del seu cos cel·lular els electrons i unir-los a les partícules d’òxid de ferro. Com?

Els investigadors han batallat durant anys per trobar la resposta a aquesta pregunta. Al final, John Stolz va decidir dedicar-se a estudiar altres microbis. Però Lovley no va afluixar. Al llarg dels anys, ell i els seus col·legues han trobat exemplars de Geobacter en molts llocs lluny del Potomac, fins i tot en petroli extret de pous molt profunds. Segons Lovely, “en realitat, n’hi ha a tot arreu”.

Cables vivents

A començaments de la dècada passada, l’equip de Lovley va descobrir que el Geobacter era capaç de detectar l’òxid que hi havia a prop seu. I, com a reacció, al microbi li creixien una mena de pèls. El doctor Lovley va pensar que potser aquests pèls, denominats pili ( pilus en singular), eren en realitat cables que s’adherien a l’òxid. A través del cable, els electrons podien passar des del bacteri fins a l’òxid receptor. “En aquell moment semblava una idea esbojarrada”, comenta Lovley. Però ell i el seu equip van trobar indicis que apuntaven que, en efecte, el pilus era un cable vivent. Van fer un experiment i, quan van impedir que el Geobacter produís pili, els bacteris van ser incapaços de convertir l’òxid en magnetita. En un altre experiment, Lovley i els seus col·legues van agafar uns pili arrencats dels bacteris i els van tocar amb una sonda elèctrica: el corrent va passar a l’instant pels pèls.

Investigacions posteriors han revelat que, per guanyar-se la vida, el Geobacter aprofita els cables de més maneres. No només es pot connectar directament amb l’òxid, sinó també amb altres espècies de microbis. Els companys del Geobacter reben amb els braços oberts el flux d’electrons que els arriba i el fan servir per alimentar les seves pròpies reaccions químiques, que converteixen el diòxid de carboni en metà.

Aquests descobriments van obrir la porta a la possibilitat que altres bacteris fessin també incursions en el camp de l’electricitat. I aquests últims anys els microbiòlegs han descobert diverses espècies que, en efecte, en fan. “Quan es pot aprofundir a nivell molecular, trobem diferències d’estratègia molt importants -diu Jeff Gralnick, de la Universitat de Minnesota-. Els microbis han resolt aquest problema amb mètodes diferents”.

Al principi de la dècada passada, un microbiòleg danès anomenat Lars Peter Nielsen va descobrir una manera molt diferent de crear un cable microbià. Va agafar una mica de fang de la badia d’Aarhus i se’l va endur al seu laboratori. Al fang hi va posar unes sondes per observar les reaccions químiques dels microbis. Tal com recorda Nielsen: “La cosa va seguir una evolució molt estranya”. Va observar que a la part inferior del fang s’hi acumulava un gas pudent anomenat sulfur d’hidrogen. Això no era sorprenent: en profunditats sense oxigen, els microbis poden produir quantitats enormes d’aquest gas. Normalment, el gas puja a la superfície, on els bacteris que respiren oxigen en descomponen la major part.

Però el sulfur d’hidrogen del fang d’Aarhus no va pujar mai a la superfície. Desapareixia quan faltaven més o menys dos centímetres i mig per arribar a la part de dalt del fang; alguna cosa el destruïa pel camí.

Després de setmanes de perplexitat, una nit Nielsen es va despertar amb una idea: si els bacteris situats a baix de tot del fang descomponguessin sulfur d’hidrogen sense oxigen, produirien electrons addicionals. Aquesta reacció només passaria si es desempalleguessin dels electrons. Potser els transferien als bacteris de la superfície. “Vaig pensar que possiblement ho feien amb cables elèctrics: així s’explicaria tot”, diu. Així doncs, Nielsen i els seus col·legues van buscar cables i van acabar trobant-los. Però els cables del fang d’Aarhus eren diferents de tot el que s’havia descobert fins aleshores.

Els cables pugen en vertical a través del fang i tenen una longitud d’uns 5 centímetres. I cadascun d’ells està format per milers de cèl·lules apilades les unes sobre les altres, com una torre de monedes. Les cèl·lules fabriquen al voltant seu una funda de proteïnes que condueix l’electricitat. Quan els bacteris del fons descomponen el sulfur d’hidrogen, deixen anar electrons, que pugen a la superfície a través dels bacteris que fan de cable. Allà, altres bacteris -del mateix tipus que els del fons però amb una reacció metabòlica diferent- fan servir els electrons per combinar oxigen i hidrogen i produir aigua.

Resulta, però, que aquests bacteris que fan de cable no són exclusius d’Aarhus, perquè Nielsen i altres investigadors n’han trobat -com a mínim sis espècies- en molts altres llocs del món, en bassals i planes de marea, fiords, aiguamolls, manglars i praderies submarines.

I els bacteris d’aquest tipus es multipliquen fins a aconseguir una sorprenent densitat. Un sediment de 2,5 centímetres quadrats pot arribar a contenir gairebé 13 quilòmetres de cables. Al final Nielsen va aprendre a detectar aquests bacteris a simple vista. Els seus cables s’assemblen al fil d’una teranyina brillant al sol.

Una nova tecnologia?

De fet, els microbis electroactius són tan abundants que els investigadors ara sospiten que tenen profundes repercussions en el planeta. Per exemple, els corrents bioelèctrics poden transformar uns minerals en uns altres i fomentar així el creixement d’altres espècies. Alguns investigadors han especulat sobre la possibilitat que els microbis electroactius contribueixin a regular la química dels oceans i l’atmosfera. “A mi, això m’ajuda a recordar que sempre estem disposats a passar per alt les coses que no podem imaginar”, diu Nielsen.

Sobre aquests microbis encara hi ha moltes coses que estan poc clares i són objecte de debat. A l’abril, el físic de la Universitat de Yale Nikhil S. Malvankar i els seus col·legues van qüestionar la conclusió de Lovley sobre el Geobacter i l’ús dels pili com a cables. Les investigacions de Malvankar indiquen que els bacteris se serveixen d’una estructura diferent per bombejar electrons: un cable construït a partir d’uns elements anomenats citocroms. Els citocroms són importants per moure els electrons a l’interior de les cèl·lules, però fins ara ningú sabia que es podien apilar els uns sobre els altres per formar un cable conductor. “Mai hi havia hagut un material com aquest”, diu Malvankar.

Sarah Glaven, biòloga i investigadora del Laboratori d’Investigació Naval dels Estats Units, que no hi ha participat, considera que el nou estudi és convincent: “M’ho crec absolutament. La pregunta és: ¿només és una part de l’enigma?” Segons Glaven, és possible que el Geobacter utilitzi totes dues estructures per moure electrons. O potser una d’elles serveix per a una funció diferent i només condueix electricitat quan està en mans d’un científic.

Les respostes a aquestes preguntes són molt importants per als científics que treballen amb bacteris electroactius per desenvolupar nous tipus de tecnologia. A la Universitat de Cornell, Buz Barstow i els seus col·legues estan investigant la possibilitat de connectar bacteris a panells fotovoltaics. Els panells capturarien la llum solar i generarien un raig d’electrons. Els electrons passarien pels cables microbians a una espècie de bacteri anomenada Shewanella, que aprofitaria l’energia per convertir el sucre en combustible.

Encara és un somni molt llunyà. De moment, Barstow intenta descobrir el mecanisme biològic mitjançant el qual el Shewanella transporta els electrons des dels seus cables fins a les molècules que utilitza per al seu metabolisme. Però està tan fascinat per l’elegància dels bacteris electroactius que considera que val la pena intentar-ho.

Altres investigadors estudien la possibilitat de fer servir aquests filaments com a sensors. Per exemple, una polsera amb cables incrustats podria controlar la salut de les persones descarregant corrent elèctric quan detectés canvis químics a la suor. Lovley i els seus col·legues estan manipulant genèticament el Geobacter per afegir als seus pili uns ganxos moleculars capaços d’enxampar unes molècules determinades.

Un dels molts avantatges que podrien tenir els cables vivents és que serien més respectuosos amb el medi ambient que els fabricats pels humans. Com diu Lovley: “Per fer molts d’aquests materials electrònics fa falta molta energia i productes químics nocius i, a sobre, no n’hi ha cap de biodegradable”. Els bacteris, en canvi, pràcticament poden fabricar cables només amb sucre. I quan arriba el moment de llençar-los, es converteixen en aliment per a altres microbis.

Nielsen, que ara dirigeix el Centre d’Electromicrobiologia de la Universitat d’Aarhus, diu que de moment no vol prendre part en la cursa tecnològica. Encara ens queden moltes coses per saber sobre aquests microbis. Com ell mateix diu: “Quan hàgim esbrinat amb què es fan aquests cables i com funcionen, potser apareixeran un munt de possibles aplicacions”.

Traducció de Lídia Fernández Torrell

Copyright ‘The New York Times’

Més continguts de

Blogs de ciència

this_image_alt

Despedida