Soluciones Microbianas para la Contaminación por Alcanos Clorados

Los alcanos clorados, como el cloroformo (CF) y el diclorometano (DCM), son químicos que pueden contaminar las aguas subterráneas. Estas sustancias se usan a menudo en varios procesos industriales, donde sirven como disolventes y limpiadores. Este uso extendido ha llevado a una contaminación significativa de las fuentes de agua potable. El CF también se forma cuando se trata el agua para matar gérmenes, y puede producirse cuando otro químico, el tetracloruro de carbono, se descompone. Aunque el CF y el DCM pueden aparecer de forma natural, las actividades humanas los producen en cantidades mucho mayores. Ambos químicos representan riesgos para la salud, incluyendo toxicidad y cáncer. El CF, en particular, complica las condiciones ambientales al interrumpir los procesos naturales que ayudan a descomponer otras sustancias contaminadas en sitios de contaminación mixta.

Para abordar el problema del CF y el DCM en aguas subterráneas contaminadas, los investigadores han recurrido a grupos mixtos de microorganismos, a menudo provenientes de sitios contaminados, que pueden ayudar a descomponer estos químicos. Estas comunidades microbianas pueden eliminar efectivamente las sustancias nocivas a través de varios procesos.

#Cultivos Microbianos y Contaminantes

Muchos estudios se han centrado en tipos específicos de microorganismos que pueden lidiar con el CF y el DCM. Sin embargo, la mayoría de estos estudios se centran en el CF o el DCM por separado. Cuando se utilizan microorganismos que descomponen el CF, a menudo crean DCM como un subproducto, pero no descomponen el DCM. Por otro lado, los cultivos que se enfocan en degradar el DCM pueden ser sensibles a los niveles de CF, lo que hace que sea complicado limpiar mezclas de ambos químicos de manera secuencial.

Por ejemplo, cuando se combinaron cultivos específicos que degradan el CF con cultivos que degradan el DCM, la descomposición del DCM no ocurrió hasta muchos días después de que el CF ya se había transformado en DCM. Este retraso resalta una diferencia significativa en cómo estos microorganismos procesan el CF y el DCM, a pesar de que los dos químicos son estructuralmente similares.

Los microorganismos conocidos que pueden descomponer el CF pertenecen principalmente al grupo Dehalobacter, excepto por una cepa de Desulfitobacterium. Estos microorganismos pueden usar organohalógenos, como el CF, como fuente de energía, descomponiéndolos a través de un proceso llamado deshalogenación reductiva. Este proceso convierte el CF en DCM, con la ayuda de proteínas específicas conocidas como reductivas deshalogenasas (RDases). Cada tipo de Dehalobacter tiene su RDase única que le ayuda a procesar el CF.

Para entender y clasificar mejor las diversas RDases, los investigadores las agrupan según las similitudes en sus secuencias de proteínas. Todos los conocidos descomponedores de CF tienen RDases que se agrupan, pero estas enzimas tienen diferentes capacidades para manejar varias sustancias químicas, incluyendo moléculas relacionadas.

#Los Mecanismos de Deshalogenación

Cada uno de los microorganismos anaeróbicos conocidos que pueden degradar el CF pertenece a un grupo específico llamado Dehalobacter. Estos microorganismos emplean sus RDases únicas para procesar el CF y convertirlo en DCM. Las enzimas catalizan la reacción que rompe los enlaces químicos en el CF, produciendo DCM como resultado.

Si bien varias RDases comparten similitudes, el mecanismo específico por el cual operan puede diferir incluso entre organismos estrechamente relacionados. Los investigadores buscan explorar estas enzimas en detalle para entender cómo pueden trabajar juntas de manera efectiva para eliminar tanto el CF como el DCM de ambientes contaminados.

Además de los microorganismos que pueden descomponer el CF, también hay aquellos que se especializan en descomponer el DCM. Estos organismos utilizan el DCM en rutas bioquímicas establecidas. El procesamiento del DCM puede seguir dos vías, ambas utilizan la Vía de Wood-Ljungdahl, un proceso importante para la producción de energía y asimilación de carbono en estos microorganismos.

Una de las vías conduce a la descomposición del DCM en iones de cloruro, produciendo eventualmente otros subproductos como formiato y acetato. La segunda vía mineraliza el DCM en dióxido de carbono e hidrógeno. Sin embargo, ha habido poca evidencia genómica que respalde las afirmaciones de que ciertas cepas de Dehalobacter pueden degradar el DCM de manera eficiente.

#Enfoque de Investigación

Nuestra investigación hasta la fecha ha identificado microorganismos capaces de descomponer el CF y el DCM en entornos contaminados. Trabajamos con una comunidad microbiana conocida como SC05, que ha demostrado ser efectiva en descloración del CF a DCM mientras que también descompone el DCM en productos finales inofensivos.

Un subconjunto específico de esta comunidad, SC05-UT, ha sido mantenido solo con CF durante un período prolongado, demostrando su capacidad para producir gas hidrógeno que es necesario para la descloración del CF. Este cultivo ha mostrado un enfoque sostenible para descomponer estos alcanos clorados.

Al examinar los genes presentes en SC05-UT y en un cultivo relacionado llamado DCME, podemos descubrir las enzimas específicas y la maquinaria genética involucrada en la descomposición de estos compuestos nocivos.

#Análisis Metagenómico

A través de análisis metagenómicos, hemos ensamblado genomas de los cultivos SC05-UT y DCME. Estos análisis han revelado información valiosa sobre los microorganismos presentes y sus posibles capacidades.

En total, construimos genomas a partir del metagenoma de DCME y SC05-UT. De SC05-UT, extrajimos un genoma específico perteneciente a Dehalobacter, que exhibe un alto nivel de completitud. El metagenoma ensamblado de DCME, sin embargo, ha mostrado menos completitud genética debido a su naturaleza fragmentada.

Dentro del metagenoma de SC05-UT, descubrimos un gen que codifica una RDase específica que es responsable de descomponer el CF. Esto destaca entre otras RDases identificadas porque muestra altos niveles de expresión, indicando que desempeña un papel crítico en el proceso de descloración.

La RDase identificada es conocida por tener secuencias similares a otras RDases pero demuestra un mecanismo de acción distinto. Esta RDase particular es capaz de descomponer el CF de manera efectiva mientras mantiene un bajo nivel de actividad sobre el DCM.

#Experimentando con AcdA

Para comprender mejor las acciones de la RDase relacionada con la descomposición del CF, expresamos el gen nativo en una bacteria de laboratorio llamada Escherichia coli. Esta expresión nos permitió estudiar el rendimiento de la enzima en condiciones controladas.

Nuestros experimentos demostraron que la nueva enzima, referida como AcdA, podría descomponer eficientemente el CF y mostraba cierta actividad en otros compuestos clorados. Sin embargo, su capacidad para procesar el DCM fue mínima en comparación con el CF. Esto indica que el papel principal de AcdA radica en la descloración del CF en lugar del DCM.

Comparamos la actividad de AcdA contra otras RDases conocidas para evaluar su rendimiento. Los resultados destacaron que, aunque AcdA es efectiva con el CF, no degrada significativamente el DCM, sugiriendo que probablemente hay otras enzimas clave involucradas en la descomposición del DCM.

#El Papel del Casete Mec

El casete mec es un grupo de genes que codifica proteínas específicas involucradas en la descomposición del DCM. Encontramos que el casete mec está presente solo en los genomas de Dehalobacter ensamblados de SC05-UT y DCME.

A través de secuenciación genómica, determinamos la estructura del casete mec y notamos que está situado cerca del gen acdA. Esta co-localización sugiere que las enzimas codificadas por este casete pueden trabajar juntas con AcdA para facilitar la descomposición del DCM en formas más simples.

Curiosamente, observamos que el casete mec en sus respectivos genomas mostró algunas variaciones, indicando cierta diferenciación genética entre las poblaciones en SC05-UT y DCME. El trabajo futuro buscará conectar la secuencia completa del casete mec para confirmar que está funcionando correctamente dentro del proceso de degradación del DCM.

#Conclusión

Los resultados de nuestras investigaciones proporcionan una imagen más clara de los microorganismos involucrados en la descomposición de alcanos clorados dañinos como el CF y el DCM. Nuestro enfoque en la cultura SC05 ha revelado enzimas clave y características genómicas asociadas con una descloración efectiva.

La identificación de AcdA como una RDase crucial amplía nuestra comprensión de cómo los microbios pueden ser aprovechados para limpiar sitios contaminados. Además, la presencia de un casete mec completo en los genomas de Dehalobacter significa un camino prometedor para futuras investigaciones sobre la degradación del DCM.

Nuestros hallazgos contribuirán significativamente a los esfuerzos en curso para desarrollar estrategias de biorremediación que utilicen microorganismos para mitigar efectivamente los impactos de la contaminación industrial. La exploración continua de estos sistemas microbianos ayudará a refinar y mejorar las tecnologías empleadas en los esfuerzos de limpieza ambiental.