Biotecnología en el espacio: el sistema MELiSSA

Hace un tiempo uno de nuestros más asiduos lectores (Antonio) me contó la historia de un proyecto realmente interesante sobre Biotecnología en el espacio. La verdad es que yo no lo conocía y es verdaderamente prometedor, así que aprovechando la ocasión os cuento de que se trata: el sistema MELiSSA.

MELiSSA (Sistema Alternativo de Soporte Microecológico para la Vida) es un proyecto multidisciplinar que fue lanzado por la Agencia Europea del Espacio en 1989. El objetivo del proyecto MELiSSA era conseguir el reciclaje completo de todos los compuestos químicos que se generan durante los viajes al espacio de manera autosostenible y sin ningún tipo de suministro exterior. Esto permitirá lanzar en un futuro, quizá no muy lejano, viajes espaciales tripulados de larga duración sin necesidad de calcular al detalle cuánta comida subir a bordo  (para una misión a Marte de 1000 días, la carga inicial necesaria sería de 30 toneladas).

El objetivo de MELiSSA es recuperar todo aquello comestible presente en residuos orgánicos, dióxido de carbono y minerales usando como fuente de energía la luz. MELiSSA se ha desarrollado en forma de distintos compartimentos, en cada uno de los cuales habitan distintas especies de organismo que llevan a cabo actividades complementarias entre sí.

El primer compartimento o tanque contiene bacterias termofílicas anoxigénicas, que transforman los desechos de la tripulación en dióxido de carbono y ácidos grasos. En el segundo compartimento bacterias fotoheterótrofas se encargan de utilizar el dióxido de carbono y los ácidos grasos producidos en el paso anterior para generar compuestos nitrogenados que, las bacterias nitrificantes del tercer paso convierten en minerales. Finalmente, en el cuarto tanque, las plantas y bacterias fotoautótrofas utilizan los minerales y  el dióxido de carbono generado en los demás compartimentos para producir oxígeno, agua y por supuesto alimentos como tomates, lechugas, arroz y espinacas!

Tal y como podéis ver en la siguiente imagen el sistema MELiSSA está inspirado en el ecosistema acuático que se da en los lagos.

Uno de los aspectos más destacados del proyecto es la construcción de una planta piloto capaz de simular este entorno a pequeña escala que demuestre la viabilidad del proyecto. Los científicos de la Universidad Autónoma de Barcelona trabajan en la construcción de la planta piloto MELiSSA desde 1995. Desde entonces, la planta se ha ido desarrollando para proporcionar un laboratorio único a nivel mundial diseñado para conseguir una integración completa de todos los pasos del proyecto.

Biocombustibles I: Biohidrógeno

Hoy, con esta entrada, empiezan una serie de artículos, que iré sacando poco a poco, sobre las bioenergías. Sin ninguna duda, la producción de energía de forma totalmente limpia es una de las aplicaciones más importantes de la biotecnología, y es fundamental que todo el mundo conozca el potencial que se esconde tras esta rama de la investigación para poder cambiar, tan pronto como sea posible, el uso actual de los recursos de nuestro planeta.

El hidrógeno será posiblemente el combustible del  futuro. Por muchos motivos representa una alternativa muy conveniente para reemplazar a los combustibles convencionales: es renovable, limpio y produce durante su combustión únicamente vapor de agua y energía. Además  posee el mayor contenido energético por unidad de peso, 122‐142 kJ/g, comparado con cualquier combustible conocido.

¿Cómo se produce el biohidrógeno?

Existen varias alternativas para producir hidrógeno: la electrólisis de agua, la reformación termocatalítica de combustibles fósiles y la combustión de biomasa. Actualmente el 96% del hidrógeno producido se obtiene a partir del reformado del gas natural (metano) con vapor de agua, pero esto implica el gasto de una fuente de energía no renovable para su obtención y la emisión de gases dañinos al medio ambiente.

Reacción de reformado del metano con vapor de agua

Planta de reformado de gas metano

Así pues, se hace evidente la necesidad actual por producir hidrógeno de origen biológico. Hay muchos equipos de investigación trabajando en el tema, pero las siguientes aproximaciones son las más estudiadas y prometedoras a día de hoy.

• Biofotólisis del agua empleando algas y cianobacterias

La fotosíntesis es un mecanismo por el cual un organismo (fotosintético) absorbe energía lumínica y la transforma en energía química. La energía química se almacena en enlaces químicos, formando las moléculas orgánicas, principalmente azúcares. Las plantas verdes fotosintetizan sus carbohidratos utilizando poder reductor (los electrones) del agua, y recolectando la luz solar mediante pigmentos. Al oxidar el agua producen O₂ (que se libera a la atmósfera) y obtienen los electrones, que entran en un proceso denominado “cadena transportadora de electrones”.

Esquema en Z de la cadena de transporte de electrones

La finalidad de esta cadena es pasar electrones de alta energía a lo largo de varias proteínas de membrana y los complejos de fotosistemas I y II. Cada proteína utiliza parte de la energía de los electrones para generar un gradiente de protones a través de dicha membrana. Los protones, en mayor concentración a un lado de la membrana, tenderán a moverse hacia el otro lado siguiendo su gradiente de concentración. La energía de este movimiento se almacena en forma de ATP mediante una ATPasa de membrana. Los electrones, al finalizar la cadena, se unen desde la proteína de membrana ferredoxina a una molécula de NADP+ que se transforma en NADPH.

La biofotólisis consiste en la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno gracias a la luz solar y la capacidad fotosintética de algas y cianobacterias. En este proceso entran en juego dos tipos de enzimas que producen hidrógeno: las hidrogenasas y las nitrogenasas.

Las hidrogenasas producen H₂ utilizando esos electrones al final de la cadena, uniéndolos a un protón, en lugar de a NADP+. Catalizan la reacción siguiente, donde X representa a una molécula portadora de electrones (normalmente la ferredoxina (Fd)), que se reduce con el agua como donador de electrones por la reacción fotoquímica de la biofotólisis.

Reacción catalizada por la enzima hidrogenasa

Por su parte las nitrogenasas catalizan la reacción de fijación de nitrógeno atmosférico, y en una reacción secundaria, cataliza la reducción de protones.

Reacciones catalizadas por la enzima nitrogenasa

¿Y qué microorganismos hacen esto?  Las cianobacterias filamentosas utilizan la enzima nitrogenasa para realizar la biofotólisis directa, mientras que, las microalgas unicelulares utilizan la enzima hidrogenasa reversible para realizar el mismo bioproceso.

• Fotofermentación de compuestos orgánicos por bacterias fotosintéticas

Algunos organismos procariotas son capaces de realizar un proceso muy importante a nivel ecológico, la fijación de nitrógeno. El nitrógeno es un componente fundamental de todos los seres vivos y se encuentra en la atmósfera en forma gaseosa. Para que el N₂ se incorpore a los compuestos y moléculas de un organismo, primero debe tomar una forma orgánica.

La fotofermentación tiene lugar bajo condiciones anaeróbicas, y es realizada por un grupo de bacterias fotosintéticas (bacterias púrpura) que realizan una fotosíntesis anoxigénica. Se llaman “púrpuras” porque son fototróficas y captan la energía de la luz mediante bacterioclorofilas y carotenos que le dan ese color. Estas bacterias fototróficas no captan CO₂ del aire como las plantas verdes, sino que utilizan una gran diversidad de compuestos orgánicos como fuente de carbono, por ejemplo ácidos grasos, azúcares y aminoácidos.

Colonias de la bacteria púrpura Rhodobacter sphaeroides (abajo)

• Fermentación oscura de compuestos orgánicos ricos en carbohidratos por bacterias anaerobias

A diferencia de la fotofermentación, la fermentación oscura se lleva a cabo de forma independiente a la luz y los microorganismos necesitan como fuente de carbono glucosa, xilosa, almidón, celulosa u otras fuentes que pueden ser generadas a partir de la hidrólisis de polisacáridos, proteínas y lípidos.

Reacción producida durante la fermentación oscura, conocida como vía del acetato, y en la que se producen e moles de hidrógeno por mol de glucosa consumida.

A pesar de no habérsele prestado tanta atención como a la producción de hidrógeno por microorganismos fotosintéticos, la producción de hidrógeno a partir de la fermentación oscura presenta claras ventajas para llevarla a escala industrial: las bacterias fermentativas presentan una alta tasa de producción de hidrógeno, pueden producir hidrógeno de forma constante, noche y día, a partir de materia orgánica, pueden alcanzar tasas de crecimiento suficientes como para mantener el sistema, y además se producen metabolitos con interés comercial (ácidos orgánicos).

La fermentación oscura es la técnica que ha demostrado poseer un mayor potencial, ya que, además de alcanzarse una producción de H₂ mayor, resulta la más fácil de realizar técnicamente, los requerimientos energéticos son menores, la economía del proceso resulta más favorable y, por tanto, más factible comercialmente. Sin embargo, también se ha demostrado que un sistema de producción de H₂ en tres etapas (los tres sistemas anteriores acoplados) incrementa el rendimiento de cada sistema por separado.

Fuentes:

Martínez y García. Fermentación oscura, fotofermentación y biofotólisis: análisis de su aplicación en secuencia para la producción de hidrógeno biológico.

 

«Esta entrada participa en el LV Carnaval de Química alojado en el blog La Ciencia de la vida de@biogeocarlos.»

Bacterias magnetotácticas / Magnetotactic bacteria

Hoy me gustaría compartir con vosotros algo muy curioso y relativamente poco conocido. Se trata de unas bacterias capaces de orientarse y migrar a lo largo de las líneas del campo geomagnético. Estas bacterias, denominadas bacterias magnetotácticas (MTB), tienen un orgánulo procariota único formado por cristales magnéticos rodeados por una bicapa de fosfolípidos, el magnetosoma. Los magnetosomas hacen que las células se alineen de forma pasiva con las líneas del campo magnético de la Tierra y se desplacen a lo largo de las mismas. Casi todas las bacterias magnetotácticas colocan sus magnetosomas formando una cadena dentro de la célula maximizando así el momento dipolar magnético de la célula.

Magnetosomas alineados dentro de una célula (izquierda) y magnetosomas extraídos de la célula (derecha). Imagen extraída de Lower & Bazylinski (2013).

Generalmente estas bacterias nadan hacia el norte magnético en el hemisferio norte, al sur magnético en el hemisferio sur y en ambos sentidos en el ecuador geomagnético. Además se sabe que producen dos tipos de minerales: óxidos de hierro y sulfuros de hierro. Aquellas que producen óxidos de hierro solamente biomineralizan magnetita y las que sólo producen sulfuros de hierro biomineralizan greigita.

Salvatore Bellini documentó su existencia por primera vez en 1963. Observó al microscopio un grupo de bacterias que nadaba hacia el polo norte de la Tierra y las llamó «bacterias magnetosensibles«. Once años más tarde, Blakemore describió de forma independiente estos microorganismos y acuñó los términos magnetotaxis para el fenómeno y MTB para las bacterias. El descubrimiento de estas bacterias fue muy útil en diversos campos de investigación (microbiología, geología, mineralogía, cristalografía, química, bioquímica, física).

Desde su descubrimiento varios grupos de investigación han tratado de dilucidar el  mecanismo de formación de los magnetosomas. Un primer modelo propuesto por Schüler (2002) suponía que la formación del magnetosoma tiene tres etapas principales:

• Captar ion férrico extracelular a través de un paso reductor.
• El hierro se reoxida luego para formar un óxido hidratado de baja densidad que se deshidrata para formar una ferrihidrita de alta densidad.
• El paso final en la formación de magnetosoma es la biomineralización de la magnetita.

Formación de un magnetosoma. Extraído de Yan et al. 2012.

Las bacterias magnetotácticas se han utilizado en la eliminación de metales pesados ​​y radioisótopos de aguas residuales por separación magnética. Las partículas de magnetita bacterianas también se han usado para detectar ácidos nucleicos y provocar una reacción inmunológica. Además los magnetosomas pueden ser modificados para detectar moléculas específicas en análisis médicos y de diagnóstico. Recientemente, han sido utilizados como en tratamientos antitumorales como vehículos de fármacos durante la quimioterapia.

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Today I wanted to share with you something very cool and quite unknown. I am speaking about the magnetotactic bacteria (MTB), a diverse group of microorganisms with the ability to orient and migrate along geomagnetic field lines. These bacteria have a unique prokaryotic organelle comprising magnetic mineral crystals surrounded by a phospholipid bilayer, the magnetosome. Magnetosomes cause cells of magnetotactic bacteria to passively align and swim along the Earth’s magnetic field lines. Almost all magnetotactic bacteria arrange their magnetosomes in a chain within the cell there by maximizing the magnetic dipole moment of the cell.

Figure from Lower & Bazylinski (2013).

Generally, they swim to the magnetic north in the northern hemisphere, to the magnetic south in the southern hemisphere and both ways on the geomagnetic equator. MTB are known to produce two types of minerals: iron oxides and iron sulfides. Those that produce iron oxides only biomineralize magnetite and those that only produce iron sulfides biomineralize greigite.

These magnetotactic microorganisms were first documented by Salvatore Bellini as early as 1963. He microscopically observed a certain group of bacteria swam toward the Earth’s North Pole and hence named them “magnetosensitive bacteria”. Eleven years later, Blakemore (1975) independently described these microorganisms and coined the terms magnetotaxis for the phenomena and MTB for the bacteria. The discovery of MTB proved to have a serious impact in a number of diverse research fields including microbiology, geology, crystallography, chemistry, biochemistry, physics…

Many research groups have developed hypothesis of the mechanism of magnetosome formation. An early model proposed by Schüler (2002) assumes that the magnetosome formation comprises three major stages:

• The first step in the magnetosome formation is the uptake of extracellular ferric ion via a reductive step.
• Iron is then thought to be reoxidized to form a low density hydrous oxide which is dehydrated to form a high-density ferrihydrite.
• The final step in the magnetosome formation is the biomineralization of magnetite.

Figure from Yan et al. 2012.

Among MTB applications: they have been used in the removal of heavy metals and radionuclides from waste water by magnetic separation. Bacterial magnetite particles were also used as carriers of genes for the detection of nucleic acids and eliciting antigen-specific immunity. They have been shown to be useful in detecting molecular interactions in medical and diagnostic analyses. Recently, they have been used as potential drug carriers for antitumor treatments as chemotherapy drug carriers.

References:

The bacterial magnetosome: a unique prokaryotic organelle. Lower & Bazylinski, 2013.

Magnetotactic bacteria, magnetosomes and their application. Yan et al., 2012.

Consorcios microbianos y biotecnología / Microbial consortia and Biotechnology

Hoy quiero hablaros de algo que realmente me fascina: ¡los consorcios microbianos!

Los consorcios microbianos son asociaciones naturales de dos o más especies que actúan como una comunidad, beneficiándose cada uno de ellos de la actividad de los demás. Es decir, se trata de sistemas naturales en los que microorganismos de distintas especies, a menudo  de  distintos  géneros,  coexisten  espacialmente  y  cooperan,  posibilitando  así  la supervivencia de todos ellos.

¿Dónde podemos encontrarlos? Los consocios están presentes en muchísimos ambientes y muy distintos entre sí. Quizá el ejemplo más conocido sea la microbiota intestinal, pero los consorcios también cumplen una función muy importante en el tratamiento de aguas residuales o en biorremediación de suelos.

Los consorcios se caracterizan por la división de tareas, y este reparto de trabajo tiene lugar gracias al proceso de comunicación que existe entre los miembros de la comunidad. Estas dos características hacen que los consorcios tengan ciertas ventajas frente a las poblaciones formadas por un único microorganismo:

1. Robustez. Vivir en comunidad hace que estos microorganismos sean mucho más resistentes a cualquier cambio que se produzca en el ambiente, promoviendo así cierta estabilidad para los miembros del consorcio, por ejemplo, son capaces de soportar periodos de escasez nutricional que sí acabarían con un monocultivo. Además, esta asociación hace que los microorganismos que forman parte del consorcio sean capaces de resistir la invasión de otras especies.

En 2006, investigadores daneses y australianos publicaron un artículo muy interesante. En este artículo demostraban la robustez de un consorcio microbiano que habían encontrado en la superficie de un alga (Ulva australis). En ecosistemas acuáticos las bacterias se asocian normalmente formando biofilms, estos investigadores encontraron nada más y nada menos que 17 especies bacterianas adheridas al alga formando la biopelícula. Aislaron e identificaron cada una de las especies, y llevaron a cabo distintos ensayos para ver qué relación había entre cada una de ellas. Finalmente eligieron las 4 especies que presentaban más actividad a la hora de formar el biofilm y las juntaron para crear una biopelícula que contuviera únicamente estas 4 especies. Una vez formada, expusieron a la comunidad a dos agentes antimicrobianos usados frecuentemente para inhibir el crecimiento de bacterias: tetraciclina y peróxido de hidrógeno.

En la siguiente figura podéis ver como se comportó el biofilm en ambos casos comparado con las especies por separado que también fueron sometidas a ambos agentes. ¡Asombroso como el consorcio consigue mantener un buen porcentaje de actividad mientras los cultivos por separado intentan sobrevivir!

Figura extraída de Burmolle et al. 2006

2. Pueden llevar a cabo tareas más complejas. Las poblaciones mixtas tienen la capacidad y los recursos necesarios para llevar a cabo funciones que resultan muy complicadas o incluso imposibles de realizar para una única especie. El siguiente esquema refleja el comportamiento de una única población y de un consorcio a la hora de hacer frente a un proceso “x” a través del cual se produce un compuesto de interés (P). Mientras una población individual tiene que sintetizar todas y cada una de las enzimas necesarias para convertir un sustrato (S) en un determinado producto (P) empleando una gran cantidad de recursos y energía, un consorcio se reparte el trabajo de modo que cada población del consorcio se dedica a sintetizar solamente una de las enzimas necesarias para obtener el producto final.

Figura extraída de Brenner et al., 2008.

Seguramente la pregunta que tenéis en mente ahora es, ¿y esto, para qué sirve? Realmente las aplicaciones de los consorcios son casi infinitas, ¿podéis imaginaros todas las combinaciones posibles de microorganismos que se pueden construir? Y si además tenemos en cuenta los consorcios sintéticos o modificados genéticamente las posibilidades aumentan más aún. Por ejemplo, se han construido consorcios para luchar contra el VIH, se han usado para tratar el cáncer, y también como vehículo para administrar fármacos. Por supuesto se aplican también para degradar compuestos contaminantes en el medio ambiente, pero también para producir energía en forma, por ejemplo, de metano o de hidrógeno.

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Today I wanted to talk about something that really fascinates me: microbial consortia!

Natural microbial consortia are associations of two or more species that act as a community, benefiting each of the activity of others. That is, natural systems in which microorganisms of different species, often from different genres, coexist spatially and cooperate, thus enabling the survival of all.

Where can we find them? Consortia are present in many environments very different from each other. Perhaps the best known example is the intestinal microbiota, but they also play an important role in the treatment of waste water or in soil bioremediation.

Consortia features include the division of labor, and this division of labor occurs thanks to the process of communication between the members of the community. These two features make consortia advantageous over populations consisting just of a single microorganism:

1. Robustness. Living in community makes these microorganisms much more resistant to any changes occurring in the environment, thus promoting their stability, for example, they are able to withstand periods of nutritional scarcity that would kill a monoculture. Moreover, this association makes the microorganisms that are part of the consortium able to resist the invasion of other species.

In 2006, Danish and Australian researchers published a very interesting paper. This article demonstrated the robustness of a microbial consortium that had been found on the surface of algae (Ulva australis). In aquatic ecosystems bacteria appear normally associated between them forming biofilms; these researchers found 17 species of bacteria attached to algae. They isolated and identified each of the species and conducted various tests to see what the relationship between each other was. Finally, they chose the 4 species that showed more activity in forming the biofilm and put them together to create a biofilm containing only these 4 species. Once formed, the community was exposed to two antimicrobial agents commonly used to inhibit the growth of bacteria: tetracycline and hydrogen peroxide.

In the figure below you can see how the biofilm behaved in both cases compared to separated species. I find really amazing how the consortium is able to maintain a good percentage of activity while monocultures separately try to survive!

Figure from Burmolle et al. 2006

2. Can carry out complex tasks. Mixed populations have the capacity and resources to carry out functions that are very difficult or even impossible to achieve for a single species. The following diagram reflects the behavior of a single population and a consortium during a “x” process through which a compound of interest (P) is produced. While individual strains have to synthesize each and every one of the enzymes needed to convert a substrate (S) in a particular product (P), using a lot of resources and energy, consortium work is divided so that each population is dedicated to synthesize only one of the necessary enzymes to obtain the final product.

Figure from Brenner et al., 2008.

Surely the question that you have in mind now is, and this, where is applied? Consortia applications are almost endless; can you imagine all the possible combinations of microorganisms that can be built? And if we consider also synthetic or genetically modified consortia chances increase even more. For example, consortia have been built to fight HIV, they have been used to treat cancer, and also as drug-delivery devices. Moreover, they are also applied to degrade pollutants in the environment and to produce energy in the form, for example, of methane or hydrogen.

References:

Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Brenner et al., 2008.

Enhanced biofilm formation and increased resistance to antimicrobial agents and bacterial invasion are caused by synergistic interactions in multispecies biofilms. Burmolle et al., 2006.

La Tinción de Gram / Gram stain

La tinción de Gram es uno de los métodos más empleados en los laboratorios de microbiología para visualizar bacterias al microscopio óptico. Esta técnica fue desarrollada por el doctor Christian Gram en 1884, y permite clasificar las bacterias en dos grupos dependiendo de la estructura de la pared bacteriana: Gram positivas y Gram negativas.

En esta tinción la clave está en que el microorganismo sea capaz de retener o no el tinte o colorante. Las bacterias Gram positivas aparecen teñidas de morado, mientras que las Gram negativas son rosas. La diferencia entre unas y otras radica en la composición de la pared celular y su permeabilidad. Las Gram positivas poseen una capa gruesa de peptidoglicano y carecen de membrana externa, mientras que las Gram negativas tienen una capa más delgada de peptidoglicano y poseen membrana externa. En las Gram negativas el contenido lipídico es 10 veces mayor por lo que el colorante queda retenido en el interior de la célula.

Diferencias en la estructura de la pared celular entre microorganismos Gram positivos y Gram negativos

En general, visualizar una muestra en el microscopio óptico no permite identificar la especie bacteriana presente, aunque sí su morfología, por lo que resulta de gran utilidad para elegir qué técnicas se utilizarán en el estudio. Mediante este tipo de examen es posible saber si en la muestra hay o no microorganismos y su abundancia.

Diferencias de tinción entre microorganismos Gram negativos y Gram positivos.

Cocos Gram positivos

Bacilos Gram negativos

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The Gram staining is one of the most used methods in microbiology laboratories to visualize bacteria under the microscope. This technique was developed by Dr. Christian Gram in 1884, and allows the classification of bacteria in two groups depending on the structure of the bacterial wall: Gram positive and Gram negative.

In this staining the key is if the microorganism is able to retain or not the dye. Gram positive bacteria are stained purple, while Gram negative pink. The difference between them lies in their cell wall composition and permeability. Gram positive microorganisms have a thick peptidoglycan layer but do not have outer membrane, while Gram negative ones have thinner peptidoglycan layer and outer membrane. The lipid content is 10 times higher in Gram negatives, so that, the dye is retained inside the cell.

In general, visualizing a sample under the optical microscope does not allow to identify the bacterial species present, but it is very useful to observe their morphology in order to choose after that the most appropriated techniques for the study. Through this type of test it is possible to know whether or not the sample contains microorganisms and their abundance.

 

Fuentes/Sources:

[1]Bacteriología General: Principios Y Prácticas de Laboratorio. Evelyn Rodríguez Cavallini.

[2]Microbiología clínica práctica. Pedro García Martos, Fernando Paredes Salido, María Teresa Fernández del Barrio.

Microorganismos amantes del ARTE / Microorganisms in love with art

La relación entre microbiología y arte puede pasar inadvertida para la mayoría de personas pero hoy os explicamos cómo se pueden utilizar distintos microorganismos para limpiar y restaurar obras de arte de una forma rápida, específica, respetuosa con la pintura y no tóxica ni para el restaurador ni para el medio ambiente.

Biomineralización

Una alternativa moderna aplicable a los monumentos históricos es el proceso de biomineralización, y más concretamente la carbonatogénesis bacteriana. La biomineralización inducida puede ayudar en la restauración de grietas de estatuas o murallas, ya que hay bacterias capaces de mineralizar y rellenar estos surcos al alimentarlas con medios de cultivo que contengan sales de calcio en solución. Esta técnica se aplica actualmente en España, Francia e Italia y consiste básicamente en la aplicación de soluciones bacterianas sobre el sustrato lítico para producir microcristales permitiendo la restauración de áreas dañadas. Además utilizando la capacidad natural de muchas bacterias no patógenas para formar carbonato cálcico se puede crear y moldear, un velo protector de calcita en la superficie de la piedra con morteros a base de bacterias. Este tratamiento se lleva a cabo con bacterias de los géneros Bacillus, Pseudomonas y Proteus, que permiten obtener una capa regenerada de unos cuantos micrómetros de espesor por carbonatogénesis.

Recientemente se ha utilizado también Myxococcus, que permite el desarrollo de un mayor grosor de la capa regenerada y una mejor protección y consolidación de las muestras tratadas (Rodríguez-Navarro et al., 2003). El proceso es básicamente el siguiente: las bacterias se cultivan en una solución acuosa, se vaporizan sobre el soporte que se quiere tratar y se las alimenta con líquidos nutritivos. Empiezan entonces a proliferar y a producir carbonato cálcico. Cuando el medio nutritivo se agota las bacterias mueren, dejando endurecida la epidermis tratada. Es un método ecológico, contrario al de las resinas hidrófugas empleadas para impermeabilizar la superficie de la piedra, que se sitúa dentro de los parámetros de la ética actual de conservación-restauración favoreciendo la conservación preventiva.

Bio-limpieza

La aplicación superficial de determinadas suspensiones de bacterias beneficiosas para degradar compuestos orgánicos (pegamentos) puede a veces permitir la restauración de pinturas. La utilización de bacterias con el fin de “limpiar” obras de arte hace también posible la eliminación de las frecuentes incrustaciones negras formadas por sulfato cálcico hidratado y residuos de carbón mediante el uso de una cepa seleccionada de Desulfovibrio desulfuricans (Capitelli et al. 2006). La comparación de esta técnica biológica con la técnica química tradicional de limpieza demuestra que posee mucha más eficacia en la extracción de los sulfatos y que no causa daño a la integridad o al color de la piedra. Una estrategia similar permite, empleando una cepa de Pseudomanas denitrificans, la extracción y solubilización selectiva de las incrustaciones de nitratos (Sorlini y Capitelli 2008).

Finalmente, como curiosidad, nos gustaría contaros que algunas bacterias tienen la capacidad de formar pigmentos sobre obras artísticas. Serratia marcescens es una bacteria heterótrofa que utiliza la materia orgánica como fuente de carbono y nitrógeno. Sus colonias tienen color rojo sangre y pueden verse con facilidad a simple vista. Ahora se sabe que esta bacteria fue la responsable de sucesos aparentemente milagrosos durante la Edad Media como los episodios de esculturas o imágenes de cuadros que parecen llorar sangre.

Colonias de Serratia marcescens

 

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The relationship between art and microbiology may go unnoticed for most people but today we explain how you can use different microorganisms to clean and restore artwork in a fast, specific, paint-respectful and non-toxic way for the restaurateur or for the environment.

Biomineralization

A modern alternative applicable to historical monuments is the process of biomineralization, specifically bacterial carbonatogenesis. Induced biomineralization can help in restoring cracks in walls or statues as there are bacteria able to mineralize and fill these grooves when fed with growth media containing calcium salts in solution. This technique is currently being used in Spain, France and Italy and consists basically in the application of bacterial solutions on lytic surfaces to produce microcrystals allowing the restoration of damaged areas. Moreover using the natural ability of many non-pathogenic bacteria to form calcium carbonate you can create and mould a protective veil of calcite on the surface of the stone with bacteria based mortars. This treatment is carried out with bacteria of the genera Bacillus, Pseudomonas and Proteus, which are able to obtain a layer of few micrometers thick regenerated by carbonatogenesis.

Recently it has also been used Myxococcus, which allows the development of a thicker regenerated layer and better protection and consolidation of the treated samples (Rodriguez-Navarro et al., 2003). The process is basically the following: bacteria are grown in an aqueous solution, then they are vaporized on the support to be treated and they are fed with nutritious liquids. Then they begin to proliferate and produce calcium carbonate. When the nutrient medium is depleted bacteria die, leaving the treated hardened epidermis. It is completely ecological method, contrary to the hydrophobic resins used to seal the surface of the stone, which stood within the parameters of the current ethics of conservation and restoration promoting preventive conservation.

Bio-cleaning

Surface application of certain bacterial suspensions able to degrade organic compounds (glues) can sometimes allow restoration of paintings. The use of bacteria in order to «clean» artwork also makes possible the elimination of incrustations formed by black hydrated calcium sulfate and carbon residues by using a selected strain of Desulfovibrio desulfuricans (Capitelli et al. 2006). The comparison between this biological technique with the traditional chemical cleaning technique has shown that the first one is much more effective in removing sulfates and does not cause harm to the integrity or the color of the stone. A similar strategy allows using a strain of Pseudomonas denitrificans, the selective extraction and solubilization of embedded nitrates (Sorlini and Capitelli 2008).

Finally, as a curiosity, we would like to tell you that some bacteria have the ability to form pigments on artistic works. Serratia marcescens is a heterotrophic bacteria which uses organic matter as a source of carbon and nitrogen. These colonies are red-blood color and can be easily seen with the naked eye. We now know that this bacterium was responsible for apparently miraculous events in the Middle Ages, when some sculptures and images of paintings seemed to cry blood.

If you found this interesting you can find much more information on the following items:

Si os ha parecido interesante podéis encontrar mucha más información en los siguientes artículos:

Los Microorganismos y el Arte. (Gacto M.)

Noticia El Mundo

 

Biorremediación: Biotecnología para salvar ecosistemas / Bioremediation: Biotechnology to save ecosystems

Los recursos naturales son un bien muy preciado. El constante aumento de población ha llevado a un aumento en el consumo de energía, alimentos y materiales, así como de residuos urbanos e industriales. Uno de los retos de la Biotecnología es mantener y conservar estos recursos naturales. Entre todas las aplicaciones de la Biotecnología en este ámbito hoy hablaremos de la biorremediación.

Mediante biorremediación se tratan problemas como por ejemplo la contaminación de suelos y aguas. Consiste principalmente en utilizar la capacidad de degradar moléculas orgánicas que tienen algunos organismos (mayoritariamente microorganismos) para eliminar el contaminante, es decir, se aprovecha la diversidad metabólica de los microorganismos para eliminar residuos o transformarlos en sustancias inofensivas y/o útiles. Estos procesos pueden ser llevados a cabo por microorganismos autóctonos o por microorganismos foráneos, in situ (estimular la actividad degradativa de los organismos que se encuentran en el sitio contaminado o añadir los organismos con estas propiedades) o ex situ (transportar el contaminante a una planta de procesamiento donde entrará en contacto con el organismo degradador).

Los ámbitos principales de la biorremediación son:

– Biorremediación de metales pesados: se produce un cambio en el estado de oxidación del metal para su detoxificación.

– Biorremediación de hidrocarburos procedentes de combustibles fósiles.

 

– Biorremediación de hidrocarburos poliaromáticos (PAHs): se liberan por la combustión incompleta de petróleo, gasolina, carbón, basuras, tabaco e incluso carne a  la parrilla.

 

– Biorremediación de compuestos xenobióticos (plaguicidas).

 

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Natural resources are a precious good. The steady increase in population has led to an increase in energy, food and materials consumption, as well as urban and industrial waste production. One of the challenges of biotechnology is to maintain and preserve these natural resources. Among all applications of biotechnology in this area, we are going to describe now what bioremediation is.

Through bioremediation, problems such as soil and water pollution are treated. It is based, mainly, in using the ability of some organisms (mostly microorganisms) to degrade organic molecules to remove the pollutant. This means that the metabolic diversity of microorganisms is used to remove wastes or transform them into harmless and / or useful substances. These processes can be carried out by indigenous microorganisms or foreign microorganisms, in situ (stimulate the degradative activity of organisms found in the contaminated site or add organisms with these properties) or ex situ (contaminant transport to a processing plant where it will come into contact with the degrader organism).

The main areas of bioremediation are:

– Bioremediation of heavy metals: a change in the oxidation state of the metal for detoxification.

– Bioremediation of hydrocarbons from fossil fuels.

– Bioremediation of polyaromatic hydrocarbons (PAHs): released by the incomplete combustion of oil, gas, coal, garbage, snuff and even grilled meat.

– Bioremediation of xenobiotic compounds (pesticides).

Fuentes/Sources:

Microorganismos y metales pesados: una interacción en beneficio del medio ambiente. Dra. Diana L. Vullo. QuímicaViva Vol. 2, número 3, 2003.

Biorremediación de residuos del petróleo. Paola Andrea Vargas Gallego, René Ricardo Cuéllar, Jenny Dussán. Hipótesiss, apuntes científicos uniandinos no. 4, dic. 2004.

Mecanismos de fitorremediación de suelos contaminados con moléculas orgánicas xenobióticas. S. López-Martínez, M. Gallegos-Martínez, L. Pérez-Flores, M. Gutiérrez-Rojas. Rev. Int. Contam. Ambient. 21 (2) 91-100, 2005.