Por Alberto de Jesús Ramos Torrez y José Lázaro Francés Mesa¹ ¹- Facultad de Biología de la Universidad de La Habana
Las mismas rutas metabólicas que operan en nuestras propias células (el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones) son empleadas por bacterias como Geobacter sulfurreducens para generar corriente eléctrica.
La diferencia radica en el destino final de los electrones: mientras que en los seres humanos estos son cedidos al oxígeno molecular para formar agua, en estos microorganismos son entregados a un electrodo o a un mineral, estableciendo un flujo de carga aprovechable tecnológicamente.
Esta continuidad metabólica entre organismos aparentemente tan distantes constituye una muestra fascinante de la unidad del mundo vivo y de la versatilidad adaptativa de los procesos bioquímicos fundamentales.
Fundamentos de la electroactividad microbiana
Ciertos microorganismos poseen la capacidad de transferir electrones hacia el exterior de su membrana celular, estableciendo un flujo de corriente eléctrica con el entorno.
Estos organismos, denominados exoelectrógenos, son capaces de utilizar materiales sólidos como electrodos (conductores eléctricos que pueden intercambiar electrones con el medio) o minerales metálicos como aceptores terminales de electrones en su metabolismo respiratorio.
Los primeros indicios experimentales de este fenómeno datan de principios del siglo XX, aunque no fue hasta finales de la década de 1980 cuando el aislamiento de bacterias pertenecientes a los géneros Geobacter y Shewanella permitió caracterizar rigurosamente los mecanismos implicados.
Mecanismo general de la transferencia electrónica
El proceso de generación eléctrica en estos microorganismos sigue una secuencia ordenada de etapas que guarda un paralelismo notable con la respiración aeróbica de los organismos superiores.
En primer lugar, la bacteria oxida sustratos orgánicos, como el acetato o el hidrógeno molecular. En términos metabólicos, oxidar significa arrancar electrones de una molécula, generalmente acompañado de la pérdida de átomos de hidrógeno. Este proceso libera energía que la célula conserva en forma de enlaces de alta energía. La oxidación del acetato se produce a través del ciclo de Krebs (la misma ruta metabólica que opera en las mitocondrias humanas), generando equivalentes reductores (NADH y FADH₂) que son transferidos a una reserva de moléculas transportadoras localizadas en la membrana interna, análogas a la ubiquinona de nuestras células.
A continuación, los electrones atraviesan el espacio periplásmico mediante una red de proteínas especializadas que contienen múltiples grupos hemo.
El grupo hemo es una molécula orgánica que alberga un átomo de hierro en su centro. Es la misma estructura que en la hemoglobina humana fija el oxígeno para transportarlo por la sangre, pero que, en este caso, cumple una función distinta: actuar como centro redox que acepta y cede electrones sucesivamente.
Las proteínas que contienen estos grupos se denominan citocromos, y en Geobacter constituyen auténticas “autopistas” moleculares para el tránsito electrónico. Estas proteínas establecen interacciones transitorias que aseguran un flujo continuo hacia la membrana externa.
Finalmente, los electrones alcanzan la superficie celular y son transferidos al material conductor externo. Esta transferencia se ve facilitada por la formación de estructuras filamentosas denominadas nanocables, que se extienden desde la superficie bacteriana y establecen contacto físico con el aceptor externo.
Investigaciones recientes han demostrado que estos nanocables están compuestos por citocromos polimerizados, y no por pilinas (proteínas estructurales que forman los pelos bacterianos típicos de muchas especies) como se creía inicialmente.
La disposición espacial de los grupos hemo en estos nanocables, con distancias de apenas unos pocos angstroms entre ellos, permite el transporte electrónico a larga distancia mediante saltos sucesivos, de manera análoga a como una corriente eléctrica viaja a través de un cable metálico, aunque en este caso el mecanismo es de naturaleza química (reducción y oxidación alternada de los centros hemo).
Hallazgos experimentales relevantes
Uno de los experimentos más significativos en este campo demostró que una cepa de Geobacter sulfurreducens, al ser inoculada en una cámara que contenía un electrodo de grafito como único aceptor de electrones y acetato como dador, experimentaba un crecimiento exponencial directamente asociado a la producción de corriente eléctrica.
Este hallazgo confirmó por primera vez que la reducción del electrodo podía sostener el crecimiento celular, es decir, que la bacteria obtenía energía suficiente para multiplicarse utilizando exclusivamente un material inerte como “respirador”.
Un aspecto especialmente relevante fue la observación de que, al sustituir el medio de cultivo por una solución tamponada carente de nutrientes, las células adheridas al electrodo mantuvieron la producción de corriente durante periodos superiores a cuatro semanas, sin deterioro apreciable de su rendimiento.
Esto evidenció que son las células fijadas al electrodo, y no las que permanecen en suspensión, las responsables de la actividad electrogénica, y que dicha actividad no requiere del crecimiento celular continuo. La bacteria establece, en cierto modo, una colonia electroquímicamente activa que funciona como una pila biológica autosostenida.
Eficiencia energética y ventajas competitivas
La eficiencia de estos sistemas es notablemente superior a la de otros dispositivos descritos previamente. La bacteria oxida completamente el acetato hasta dióxido de carbono, transfiriendo al electrodo prácticamente todos los electrones disponibles. En términos numéricos, por cada molécula de acetato (que contiene dos átomos de carbono), se liberan ocho electrones, de ellos, aproximadamente el 95 por ciento son recuperados en el electrodo.
Esta recuperación cuantitativa contrasta con los sistemas tradicionales, en los que solo se oxidaban parcialmente los sustratos y se requería la adición de compuestos mediadores tóxicos para facilitar la transferencia electrónica.
Cuando se habla de “eficiencia cuantitativa” o “recuperación completa” en este contexto, no debe interpretarse como una perfección termodinámica absoluta, sino como la capacidad de dirigir prácticamente todos los electrones generados en la oxidación del sustrato hacia el electrodo, sin que se desvíen hacia otros aceptores presentes en el sistema o se pierdan en forma de calor o de subproductos metabólicos.
Esta propiedad es excepcional en el mundo microbiano y se debe a que el electrodo, al estar mantenido a un potencial oxidante constante (por ejemplo, +0,2 voltios frente a un electrodo de referencia), constituye un aceptor de electrones muy favorable desde el punto de vista energético, comparable al oxígeno en la respiración aeróbica.
Las bacterias adheridas al electrodo alcanzan un potencial energético de -0,17 voltios, similar al que usan para reducir hierro. Si usan hidrógeno como combustible, pueden metabolizarlo casi por completo, dejando solo rastros del gas. Esto demuestra que operan al límite de lo energéticamente posible, una muestra de su asombrosa capacidad de adaptación.
Aplicaciones tecnológicas
Las aplicaciones derivadas de estos conocimientos abarcan diversos ámbitos de la biotecnología. En el campo del tratamiento de aguas residuales, las pilas de combustible microbianas permiten generar electricidad a partir de la materia orgánica presente en los efluentes, al tiempo que reducen la carga contaminante.
En biorremediación, los electrodos pueden estimular la degradación de hidrocarburos aromáticos en sedimentos contaminados o facilitar la precipitación de metales pesados tóxicos como el uranio, transformándolo de una forma soluble y móvil a una forma insoluble y precipitada.
Asimismo, en electrosíntesis, los microorganismos pueden captar electrones directamente de cátodos para fijar dióxido de carbono y producir compuestos de valor añadido, como biocombustibles, utilizando electricidad procedente de fuentes renovables. Este enfoque no solo ofrece una vía para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, sino que también permite producir combustibles neutros en carbono a partir de un recurso abundante y problemático.
Referencias
Bond, D.R., Lovley, D.R. (2003). Electricity production by Geobacter sulfurreducens attached to electrodes. Applied and Environmental Microbiology, 69(3), 1548-1555. DOI: 10.1128/AEM.69.3.1548–1555.2003
Shi, M.M., Jiang, Y.G., Shi, L. (2019). Electromicrobiology and biotechnological applications of the exoelectrogens Geobacter and Shewanella spp. Science China Technological Sciences, 62. https://doi.org/10.1007/s11431-019-9509-8
Zakizadeh Tabari, M., Hochbaum, A.I. (2025). Electron transport across the cell envelope via multiheme c-type cytochromes in Geobacter sulfurreducens. Frontiers in Chemistry, 13, 1621274. DOI 10.3389/fchem.2025.1621274