Biologia Molecular Mexico

Escherichia coli es, sin duda, la bacteria más estudiada del planeta, el caballito de batalla de laboratorios de biología molecular y biotecnología en todo el mundo. Conocemos al detalle sus mecanismos clásicos para obtener energía: la respiración aeróbica (usando oxígeno), la respiración anaeróbica (usando nitrato u otros aceptores internos de electrones) y la fermentación. Se pensaba que, a diferencia de bacterias “especializadas” como Shewanella o Geobacter, E. coli no era capaz de realizar “respiración extracelular”, un proceso donde los electrones generados por el metabolismo se transfieren a aceptores fuera de la célula, como minerales o electrodos.

Sin embargo, un intrigante estudio publicado en Cell por Biki Bapi Kundu y colaboradores [1], del laboratorio de Caroline Ajo-Franklin en la Universidad Rice, revela que E. coli guarda un metabolismo energético latente: la capacidad de respirar hacia el exterior utilizando un mediador químico.

El Puente Molecular: HNQ

Trabajos previos habían insinuado que E. coli podía evolucionar para interactuar con electrodos usando 2-hidroxi-1,4-naftoquinona (HNQ), una molécula que puede actuar como “lanzadera de electrones” (redox shuttle). Este equipo se propuso desentrañar el mecanismo detrás de este fenómeno.

Utilizando una combinación elegante de edición genética de precisión, electroquímica y biología de sistemas, confirmaron que, en ausencia de sus aceptores de electrones habituales, E. coli puede efectivamente utilizar HNQ para transferir electrones desde su metabolismo interno hasta un electrodo externo (ánodo). Este proceso está directamente acoplado al catabolismo: la bacteria necesita “comer” (oxidar una fuente de carbono como glicerol o glucosa) para poder “respirar” hacia el electrodo.

Identificando a los Actores Clave: Nitroreductasas al Rescate

El siguiente paso fue identificar qué enzimas dentro de E. coli eran responsables de entregar los electrones al HNQ. Mediante una estrategia sistemática de eliminación de posibles candidatos (enzimas respiratorias de membrana, deshidrogenasas, vías fermentativas), los investigadores llegaron a una conclusión sorprendente: las principales responsables son dos nitroreductasas citoplasmáticas, NfsA y NfsB.

Estas enzimas, conocidas por su rol en detoxificación y activación de profármacos, resultan ser cruciales para reducir el HNQ usando principalmente NADH (y posiblemente NADPH) generado en el citoplasma. Cuando estas enzimas se eliminan, la capacidad de E. coli para realizar respiración extracelular mediada por HNQ disminuye drásticamente.

Adaptación Rápida y Crecimiento Eléctrico: La Mutación OmpC

Quizás el hallazgo más emocionante fue observar la rápida adaptación de E. coli. Cuando se bloqueaban las vías fermentativas (dejando el ánodo como única “válvula de escape” para los electrones), las bacterias no solo realizaban respiración extracelular, sino que evolucionaban en cuestión de horas para hacerlo de manera mucho más eficiente.

El análisis genómico reveló la causa: una única mutación recurrente (D126V) en OmpC, una proteína que forma poros en la membrana externa. Esta mutación parece facilitar el paso del HNQ a través de la membrana, potenciando drásticamente la transferencia de electrones y permitiendo a E. coli crecer utilizando el ánodo como único aceptor final de electrones. ¡Esencialmente, E. coli aprendió a “respirar” en un electrodo para vivir! Modelos metabólicos confirmaron que esta vía ofrece ventajas bioenergéticas sustanciales sobre la fermentación.

Implicaciones Fundamentales y Aplicadas

Este descubrimiento redefine nuestra comprensión de E. coli, revelando una flexibilidad metabólica inesperada. Demuestra que la respiración extracelular no es exclusiva de exoelectrógenos exóticos, sino que puede ser una capacidad latente en organismos mucho más comunes.

Además, el estudio proporciona una metodología generalizable para diseccionar mecanismos de transferencia electrónica en otros microbios. Abre nuevas vías para la ingeniería metabólica, permitiendo diseñar cepas de E. coli para aplicaciones en:

• Bioelectrónica: Creación de biosensores más eficientes.
• Bioenergía: Optimización de celdas de combustible microbianas.
• Biosíntesis: Desarrollo de sistemas de electrosíntesis donde un electrodo suministra electrones para producir compuestos químicos.

Este trabajo es un hermoso ejemplo de cómo la integración de diferentes disciplinas puede desvelar secretos biológicos fundamentales con un enorme potencial biotecnológico, incluso en el organismo más estudiado de todos.

Referencia

[1] Kundu, Biki Bapi et al. Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli. Cell, 2025. DOI: 10.1016/j.cell.2025.03.016