Cables biológicos

Se empieza a desvelar el enigma de los nanocables microbianos que transportan electrones.

Los nanocables producidos por bacterias pueden resultar fundamentales en el desarrollo de una nueva electrónica. La imagen muestra una descarga eléctrica. [TED KINSMAN, SCIENCE SOURCE]

Las bacterias del género Geobacter tienen aspecto de alubias de las que brotan colas largas parecidas a cables; y, de hecho, resulta que estos «nanocables» conducen la electricidad. Los científicos que han pasado décadas estudiando estos microorganismos conductores abrigan la esperanza de desarrollar una tecnología viva segura que funcione en el interior del cuerpo humano, resista la corrosión o incluso extraiga electricidad literalmente de la nada. Sin embargo, para llevarlo a la práctica, primero ha de desentrañarse el misterio sobre la función real de estas fibras minúsculas, lo que ha incitado un vigoroso debate.

Derek Lovley, microbiólogo de la Universidad de Massachusetts en Amherst, descubrió las capacidades conductoras de Geobacter cuando se propuso averiguar el mecanismo por el que estas bacterias se libran de los electrones originados durante su proceso de generación de energía. La mayoría de los microbios necesitan transferir electrones a moléculas de oxígeno vecinas para «respirar», pero Geobacter prospera en ambientes carentes del gas. Lovley se percató de que estos microorganismos producen largas cadenas de proteínas que transportan los electrones a los óxidos de hierro cercanos, los cuales se transforman en magnetita por la acción de las partículas cargadas. Desde entonces se han encontrado otros nanocables de proteínas, pero Lovley cree que cierto tipo de estos filamentos, conocidos como pili, desempeña un papel primordial. No obstante, las técnicas de imagen tradicionales no permiten investigar las proteínas que componen los pili, denominadas pilinas, debido a su pequeño tamaño, de modo que Lovley demostró su importancia eliminando el gen asociado a la formación de los pili. Sin él, Geobacter no podía convertir el óxido de hierro en magnetita. Además, halló que los filamentos que había recolectado de las células conducían la electricidad.

El equipo ya ha desarrollado antes aplicaciones que se sirven de microbios conductores vivos, pero Lovley aspira a cultivar los propios nanocables para construir dispositivos electrónicos respetuosos con el ambiente. Ha sido coautor de dos artículos recientes sobre sensores fabricados con nanocables de Geobacter: uno, descrito en la revista Nano Research, detecta amoníaco; el otro, detallado en Advanced Electronic Materials, es sensible a los cambios de humedad. Además, otro dispositivo, que su grupo describió en Nature, emplea nanocables para arrancar electrones a las moléculas de agua presentes en el aire; de este modo, se genera electricidad a partir de la humedad. «Ofrece algunas ventajas sobre otros métodos sostenibles de producción de energía, como la solar o la eólica, pues se trata de un proceso continuo que opera las 24 horas del día. Y funcionará en casi cualquier ambiente de la Tierra», explica Lovley.

El experto sugiere que los nanocables podrían sustituir a las baterías como fuente de alimentación de algunos aparatos. «Ya usamos nanocables de proteínas para generar energía a pequeña escala, como en los parches de monitorización médica», afirma. Y añade que estos filamentos pueden funcionar en tejido vivo sin que desencadenen una reacción adversa y que son más biodegradables que los metales.

Lovley asegura que varias empresas han manifestado interés en este tipo de aplicaciones. Sin embargo, algunos científicos se muestran escépticos sobre la eficacia de separar los nanocables de las bacterias que los producen. «Fuera de su contexto natural, las proteínas que poseen propiedades eléctricas han de competir con los materiales sintéticos», explica Sarah Glaven, bióloga del Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos. Los nanocables «tendrían dificultades para superar a un metal conductor». Glaven ha colaborado con Lovley en el pasado, pero no participa en la investigación actual; ella se centra en la modificación genética de bacterias conductoras para aplicarlas en instrumentos tales como sensores marinos.

La bióloga señala que los nanocables contarían con ventaja en entornos como el océano o el cuerpo humano, que corroen los componentes electrónicos tradicionales. Sin embargo, aun en esas condiciones, los nanocables aún tendrían que rivalizar con materiales tales como los polímeros biocompatibles. Ella prefiere trabajar con microbios vivos porque «no solo ofrecen un material portador de electrones, sino también el sistema completo de procesamiento de información que hay en la misma célula».

A pesar de que ya se han empezado a idear aplicaciones tanto para células vivas como para nanocables recolectados —incluso se ha explorado la modificación de la prolífica bacteria Escherichia coli para fabricar pili—, aún persisten interrogantes sobre las proteínas que forman los nanocables más productivos. Comprender qué tipo de filamentos transporta la mayor parte de la electricidad ayudaría a los científicos a seleccionar el material más adecuado para construir dispositivos electrónicos.

«Todos, también nosotros, pensábamos que los nanocables cruciales eran los pili», admite el biofísico Nikhil Malvankar, que trabajó con Lovley y que en la actualidad dirige su propio laboratorio en la Universidad Yale. Sin embargo, el año pasado Malvankar y sus colaboradores obtuvieron imágenes de bacterias Geobacter con un microscopio electrónico y, tras analizarlas, llegaron a la conclusión de que el principal método de transmisión de electricidad de los microbios no lo constituyen las pilinas, que son como hilos, sino apilamientos de proteínas llamadas citocromos. Los investigadores examinaron una biopelícula de la bacteria por medio de experimentos de modificación genética, así como mediante diversas técnicas de imagen; Glaven afirma que «han puesto toda la carne en el asador» para conseguir una visión precisa de los nanocables utilizados por Geobacter. El equipo de Yale identificó un citocromo conductor hipereficiente, denominado OmcZ, que la bacteria produce en respuesta a un campo eléctrico, como el método principal de la biopelícula para emitir electrones. «Hay que ver para creer, así que considero que las técnicas microscópicas son muy importantes», señala el físico de Yale Sibel Yalcin, coautor del trabajo.

No obstante, los investigadores aún discrepan sobre cuál es el nanocable esencial. Algunos se decantan por los pili; otros, por los citocromos. Lovley es un firme defensor de los primeros: asegura que, cuando su equipo (que por entonces incluía a Malvankar) modificó genéticamente Geobacter para impedir que sintetizara cierto tipo de citocromo, se formaron biopelículas que conducían mejor la electricidad que las producidas por bacterias no modificadas. Glaven alega que su propio laboratorio ha encontrado que en una biopelícula de Geobactercircula una cantidad «abrumadora» de electricidad a través de citocromos. Sin embargo, la bióloga señala también que otro laboratorio, este de la Universidad Estatal de Michigan, aún continúa apoyando la hipótesis de Lovley sobre los pili.

En virtud de su investigación más reciente, Malvankar se inclina por los citocromos, pero no ha descartado que los pili desempeñen una función. «Todos los filamentos que encontramos cuando las bacterias conducían activamente la electricidad eran citocromos», explica. «Pero ¿no es posible que, en ciertas condiciones, estuvieran formándose pili? Es una cuestión aún sin resolver.»

El avance en la determinación de las proteínas conductoras de la Geobacter podría guiar a los investigadores a desarrollar sistemas electrónicos vivos más eficientes. Incluso sin un conocimiento completo de los misterios que encierran los microbios conductores, los dispositivos basados en bacterias quizá se hallen a la vuelta de la esquina. Aún es pronto, admite Lovley, «pero hasta ahora todo ha ido por buen camino. He tenido colaboradores increíbles que saben aprovechar al máximo los materiales electrónicos. Se les ocurren ideas nuevas cada dos por tres».

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