Investigadores del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. y de la Universidad de Aarhus, Dinamarca, han confirmado la conductividad protónica a lo largo de distancias superiores a 100 micrómetros en bacterias filamentosas del grupo Desulfobulbaceae, comúnmente conocidas como bacterias de cable. Estos hallazgos ofrecen nuevas perspectivas sobre los mecanismos de transporte de protones microbianos y abren vías para su aplicación en bioelectrónica.
Las conducciones eléctricas en los sedimentos permiten a los microbios transferir electrones a lo largo de distancias de centímetros. Observaciones sugieren que las bacterias de cable pueden inducir cambios químicos locales en el sedimento al acoplar la oxidación de azufre con la reducción de oxígeno, modificando así los gradientes de pH. Los efectos documentados incluyen acidificación en capas más profundas y condiciones más alcalinas cerca de las interfaces agua-sedimento. Sin embargo, aún no está claro si esta actividad localizada se traduce en impactos ambientales más amplios. Comprender estos mecanismos podría contribuir a estudios más amplios sobre la comunicación microbiana y el diseño de dispositivos bioprotónicos, lo que permitiría una mejor comprensión de los flujos de energía natural en entornos sedimentarios.
Métodos y Resultados del Estudio
La conductividad protónica se ha observado en una amplia gama de materiales bióticos. Sin embargo, medir esta conductividad a lo largo de la superficie de las células bacterianas ha sido un reto, ya que las bacterias colocadas sobre protodes (el equivalente protónico de un electrodo) tienden a mostrar un contacto pobre e inconsistente. En aplicaciones que han intentado construir computación basada en biología, las técnicas convencionales de procesamiento de semiconductores se ven limitadas por la sensibilidad de los materiales biológicos a altas temperaturas, disolventes orgánicos, alto vacío y radiación UV.
En el estudio titulado «Las bacterias de cable hidratadas exhiben conductividad protónica a lo largo de largas distancias», publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, los investigadores implementaron una técnica de transferencia impresa modificada para medir la conductividad protónica, abordando desafíos como la naturaleza frágil de las células bacterianas y el contacto inconsistente con los electrodos. Se adhirieron protodes interdigitados de paladio y otros electrodos a muestras de bacterias de cable no vivas, y las mediciones se realizaron bajo condiciones controladas de temperatura y humedad.
Las pruebas con gas de deuterio (D2), que reemplaza protones por iones de deuterio de movimiento más lento, mostraron una reducción en la conductividad, apoyando el papel del transporte de protones a través del mecanismo de Grotthuss. Este proceso se basa en el intercambio de enlaces de hidrógeno en moléculas de agua que forman caminos continuos de protones en la superficie bacteriana, donde el protón se transfiere a través de la red de enlaces de hidrógeno formada entre las moléculas de agua (H2O) y los iones hidronio (H3O+).
Un cuarto ambiental personalizado con voltametría de barrido lineal permitió ajustes precisos a la humedad relativa (HR), con gas hidrógeno humidificado (H2) proporcionando protones para las pruebas de conductividad. Para distinguir entre conductividad protónica y electrónica, se utilizaron electrodos de oro (que bloquean el flujo de protones) como controles. Los resultados confirmaron que la conductividad protónica variaba con los niveles de humedad, mostrando un aumento de 26 veces entre el 60% y el 80% de HR. La conductividad alcanzó un pico de 114 ± 28 µS cm-1 al 70% de HR y 25°C, apoyando la hipótesis de que el transporte de protones ocurre a través de cables de protones asociados al agua mediante el mecanismo de Grotthuss.
Estudios comparativos con bacterias filamentosas no conductivas, como Microcoleus, confirmaron que la conductividad observada era intrínseca a las bacterias de cable y no resultaba simplemente de la formación de estructuras continuas del mecanismo de Grotthuss en el agua. Los investigadores también evaluaron la resistencia de contacto y la resistividad específica entre las superficies bacterianas y los electrodos. Aunque la conductividad protónica de las bacterias de cable era inferior a la de microcables sintéticos, los resultados revelaron el potencial de las interfaces microbianas en la bioelectrónica.
Aunque la importancia evolutiva o ecológica de la conductividad protónica en las bacterias de cable y su posible papel en las interacciones entre especies aún no se ha definido completamente, los autores sugieren que esta conductividad puede influir en las interacciones microbianas y en el transporte de protones en el medio ambiente. Los hallazgos sientan las bases para futuras investigaciones sobre las bacterias de cable dentro de comunidades microbianas.
