El rol de las bacterias en la producción de un gas de efecto invernadero: cómo impacta en el cambio climático

La Organización de las Naciones Unidas (ONU) indica que el cambio climático “se refiere a los cambios a largo plazo de las temperaturas y los patrones climáticos”. En esa línea, la entidad plantea que la quema de combustibles fósiles “genera emisiones de gases de efecto invernadero que actúan como una manta que envuelve a la Tierra, atrapando el calor del sol y elevando las temperaturas”.

Además del dióxido de carbono y el metano, uno de los gases de efecto invernadero que preocupa a los expertos es el óxido nitroso. Según la ONU, “cuando las especies reactivas de nitrógeno se exponen al suelo, como en los fertilizantes, provoca reacciones microbianas que liberan este gas, que es 300 veces más potente para calentar la atmósfera que el dióxido de carbono”.

En este contexto, un estudio llevado a cabo por investigadores del Instituto Tecnológico de California (Caltech) planteó que una nueva clase de enzima permite a las bacterias respirar nitrato en condiciones de bajo oxígeno. Este proceso, según los autores, produce óxido nitroso.

De acuerdo a los autores, la producción de óxido nitroso en este caso ocurre durante la desnitrificación. Esta dinámica, mediante la cual las bacterias descomponen el nitrato presente en los fertilizantes, es más común en ambientes donde los niveles de oxígeno son escasos, como por ejemplo humedales, suelos alpinos y lagos.

De este modo, el hallazgo -publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences- podría tener implicaciones significativas para la comprensión y el abordaje de fenómenos asociados al cambio climático. ¿Por qué? Según los expertos, el análisis de las nuevas enzimas y su producción de N₂O puede ser crucial para desarrollar estrategias efectivas contra el cambio climático.

“El óxido nitroso es un gas de efecto invernadero mucho más difícil de monitorear que el dióxido de carbono, pero con esta investigación ahora sabemos que hay muchas más fuentes que producen óxido nitroso de lo que se pensaba anteriormente”, dijo Woody Fischer, profesor de geobiología e investigador principal del estudio.

“Comprender dónde y cuándo se libera este gas a la atmósfera puede ayudarnos a tomar decisiones más inteligentes. Hay un futuro no muy lejano en el que un agricultor tendrá información sobre las comunidades de microbios presentes en su suelo, lo que le permitirá tomar decisiones informadas sobre cómo y cuándo utilizar fertilizantes para la salud del paisaje”, añadió Fischer.

El equipo de expertos examinó las secuencias genómicas de decenas de miles de especies microbianas diferentes en diversos entornos de la Tierra. La mayoría de las células en la biosfera utilizan proteínas específicas llamadas reductasas para respirar oxígeno, según contaron. Sin embargo, los autores sostuvieron que hay una amplia gama de reductasas que habían desarrollado proteínas para respirar óxido nítrico (NO), algo que en consecuencia produciría óxido nitroso.

La investigación sugirió que una mejor gestión de los fertilizantes en la agricultura podría reducir significativamente las emisiones de óxido nitroso. Este conocimiento podría ser clave para desarrollar nuevas tecnologías y prácticas agrícolas sostenibles, según el estudio.

Es que los expertos remarcaron que la implementación de técnicas avanzadas de monitoreo y análisis genómico permitirá identificar y cuantificar con mayor precisión las fuentes de óxido nitroso, facilitando la adopción de medidas más efectivas para su control.

En la publicación, los especialistas desarrollaron: “El óxido nitroso es un potente gas de efecto invernadero cuya producción es catalizada por el óxido nítrico reductasa (NOR), miembros de la superfamilia de enzimas hemo-cobre oxidorreductasa (HCO). Identificamos varias familias de HCO no caracterizadas previamente, cuatro de las cuales (eNOR, sNOR, gNOR y nNOR) parecen realizar reducción de óxido nítrico (NO)”.

Para dimensionar: según los NIH, la reducción tiene que ver con el proceso de oxidación-reducción, una “reacción química que ocurre entre una sustancia oxidante y una sustancia reductora. Durante la reacción, la sustancia oxidante pierde electrones y la sustancia reductora gana electrones. Por ejemplo, se forma óxido cuando hay una reacción de oxidación-reducción entre el oxígeno que contiene el agua o el aire húmedo (una sustancia oxidante) y el hierro (una sustancia reductora)”.

Con todo, los autores del estudio en cuestión escribieron: “Estas familias tienen estructuras novedosas de sitios activos y varias tienen canales de protones conservados, lo que sugiere que podrían acoplar la reducción de NO a la conservación de energía. Aislamos y caracterizamos bioquímicamente un miembro de la familia eNOR de la bacteria Rhodothermus marinus y descubrimos que realiza reducción de NO”.

Y ampliaron: “Utilizamos datos de secuencias ambientales para encontrar enzimas que produzcan óxido nitroso a partir de NO y validamos nuestra hipótesis con experimentos. Es probable que estas nuevas enzimas contribuyan a los flujos globales de óxido nitroso y amplíen la amplitud del ciclo del nitrógeno”.

Este estudio “cambia el guion”, según Fischer. “Demuestra que las proteínas que permiten la respiración de nitrato en realidad evolucionaron a partir de aquellas que respiran oxígeno, hace aproximadamente dos mil millones de años”, dijo. El trabajo planteó que la respiración de nitrato y la desnitrificación son procesos evolutivamente más recientes de lo que se pensaba. La evolución de estas enzimas a partir de reductasas de oxígeno implica una adaptación significativa a las condiciones ambientales cambiantes de la Tierra.

Fischer postuló: “Hemos pasado por alto grandes regiones de la biosfera donde se producía óxido nitroso porque estas proteínas no estaban descubiertas. Ahora, podemos predecir con mucha más precisión, a través de información de secuencia genómica, qué organismos en qué entornos producen óxido nitroso. Hay muchos más de los que pensábamos”.

Otro de los expertos a cargo del trabajo, James Hemp, apuntó: “Nuestro trabajo ha aumentado drásticamente la diversidad bioquímica de una de las familias de enzimas más estudiadas en microbiología. Esto debería servir como advertencia de que el análisis metabólico automatizado sin verificación experimental puede llevar a conclusiones incorrectas de las funciones de microbios y comunidades”.