Un equipo internacional de científicos ha descubierto que la bacteria nitrificante comammox, que identificaron por primera vez en 2015, puede crecer utilizando guanidina, un compuesto orgánico rico en nitrógeno, como única fuente de energía y nitrógeno. La guanidina es un compuesto nitrogenado químicamente estable que se excreta en la orina humana y se usa ampliamente en la producción de plásticos, como retardante de llama y componente de propulsores, y también es bien conocido como desnaturalizante de proteínas en bioquímica. Esta capacidad única abre nuevas oportunidades para el cultivo específico de estos misteriosos microbios y también podría ser la clave para reducir las emisiones de óxido nitroso de la agricultura.
La nitrificación, la conversión de amoníaco a través de nitrito en nitrato, se lleva a cabo mediante microorganismos especializados llamados nitrificadores. Este proceso es extremadamente importante para el ciclo biogeoquímico global del nitrógeno en prácticamente todos los ecosistemas, pero juega un papel ambivalente en el cambio global.
Por un lado, la nitrificación contribuye a la liberación del potente gas de efecto invernadero y sustancia que agota la capa de ozono, el óxido nitroso, y provoca enormes pérdidas de fertilizantes en la agricultura, lo que conduce a la eutrofización de las masas de agua. Por otro lado, la nitrificación es necesaria como paso de tratamiento biológico para eliminar nutrientes en las plantas de tratamiento de aguas residuales, protegiendo así los cuerpos de agua del aporte excesivo de nitrógeno procedente de las aguas residuales.
Un equipo de investigación internacional dirigido por el Centro de Microbiología y Ciencia de Sistemas Ambientales (CeMESS) de la Universidad de Viena ha encontrado ahora una forma que podría promover nitrificadores en el medio ambiente que produzcan menos óxido nitroso.
Las bacterias Comammox se consideran nitrificadores «verdes» porque, a diferencia de muchos otros nitrificadores, producen sólo pequeñas cantidades de óxido nitroso como subproducto de su metabolismo y eliminan eficazmente los compuestos de nitrógeno de las plantas de tratamiento de aguas residuales. Desde el descubrimiento de los nitrificantes en el siglo XIX, se suponía que estos microorganismos sólo podían respirar amoniaco y urea. En 2015, los grupos de investigación dirigidos por Michael Wagner y Holger Dimes demostraron que algunos nitrificadores también pueden utilizar el cianato químicamente inestable para su metabolismo energético.
«En un artículo publicado recientemente, nuestro equipo demostró que las bacterias comammox también pueden crecer con el sustrato no convencional guanidina», explica Marton Palatinsky, primer autor del estudio. «Las bacterias Comammox utilizan un transportador y una enzima que hemos descrito en detalle estructural y funcional, lo que les permite producir amonio a partir de guanidina en la célula de una manera altamente eficiente desde el punto de vista energético».
La guanidina es un producto metabólico de microorganismos y plantas. Se sabe poco sobre su papel en el metabolismo humano y animal. Se forma en los suelos a partir de la descomposición de aditivos de fertilizantes sintéticos y en las aguas residuales a partir de la descomposición del fármaco ampliamente utilizado metformina. Sin embargo, se sabe poco sobre la distribución y el procesamiento posterior de la guanidina en el medio ambiente.
La guanidina está muy extendida en la naturaleza y es utilizada por varios microorganismos como fuente de nitrógeno, pero aún no se han identificado los microorganismos que crecen sobre la guanidina como único sustrato.
Aquí, los investigadores muestran que el oxidante completo de amoníaco (comammox), Nitrospira inopinata, y probablemente la mayoría de los demás microorganismos comammox pueden crecer en guanidina como única fuente de energía, agente reductor y nitrógeno. La proteómica, la cinética enzimática y la estructura cristalina del homólogo de la guanidasa de N. inopinata demostraron que es una verdadera guanidasa. Los experimentos de incubación con microbiomas de plantas de tratamiento de aguas residuales y suelos agrícolas que contienen comammox revelaron que la guanidina sirve como sustrato para la nitrificación en el medio ambiente.
Un equipo de investigación internacional que incluye microbiólogos del Centro Helmholtz de Investigación Ambiental de Leipzig; Alemania y la Universidad de Aalborg en Dinamarca también han demostrado que la guanidina está presente no sólo en la orina humana sino también en los excrementos del ganado, y que las bacterias comammox utilizan guanidina en las plantas de tratamiento de aguas residuales. También demostraron que la guanidina es metabolizada por nitrificantes en suelos agrícolas.
Actualmente, los microbiólogos vieneses intentan enriquecer y aislar la bacteria comammox, muy extendida a partir de muestras ambientales, utilizando guanidina, ya que actualmente sólo hay una cepa disponible en cultivo puro en el mundo.
«Esto parece especialmente prometedor, ya que ninguna de las otras cepas nitrificantes que probamos pudo crecer con guanidina como única fuente de energía y nitrógeno», explica Katharina Kitzinger, científica principal de CeMESS.
El equipo también quiere investigar si agregar guanidina a los fertilizantes agrícolas puede aumentar la abundancia de bacterias comammox en suelos cultivables, reduciendo así las emisiones de óxido nitroso de la agricultura.
“Este trabajo no sería posible sin la estrecha colaboración de muchos investigadores que participan en el Grupo de Excelencia Microbiomas – Impulsando la Salud Planetaria, lanzado en 2023. Expresamos nuestro más sincero agradecimiento a la Fundación Austriaca para la Ciencia (FWF) por este apoyo especial”, concluyó Wagner, líder del estudio.
Fuente: Universidad de Viena.
La foto del título muestra la estructura de la enzima guanidina de la especie comammox Nitrospira inopinata, que convierte la guanidina en urea. La entrada propuesta al túnel que conduce al sitio activo está resaltada en la imagen de la izquierda. En el lado derecho, el túnel se muestra como una línea verde y la guanidina como un modelo de varilla. La estructura fue aclarada por un equipo dirigido por Kristina Djinovic-Carugo. Foto: Kristina Djinovic-Carugo/Universidad de Viena.
