Icoquih Zapata Peñasco

06Fig01v
Se tens um coração de ferro, bom proveito.
O meu, fizeram-no de carne,
e sangra todo dia.
José Saramago

 

 

06Fig01 El hierro, un metal de transición y el cuarto en abundancia en la corteza terrestre, conforma también el núcleo de nuestro planeta. También constituye al Sol y a otras estrellas. En la tabla periódica se puede distinguir por su símbolo: Fe.

El 26 y la Geomicrobiología

Los procesos biológicos más antiguos que se relacionan con el hierro son los microbianos. Este elemento es parte importante de los ciclos biogeoquímicos en la Tierra, que son los movimientos de reciclaje de materia y energía entre los seres vivos y el planeta.

     Para acotar el “espacio físico” donde encontramos a los ciclos biogeoquímicos, podemos decir que la biósfera está circunscrita entre el punto más alto de 8,848 metros sobre el nivel el mar, que es el Monte Everest (considerando la tropósfera asociada), y la fosa oceánica más profunda hasta ahora conocida, llamada Las Marianas, de 11,034 metros de profundidad.

06Fig02     Los procesos biogeoquímicos y los seres vivos están a lo largo y ancho de esta franja de 19,882 metros de la corteza terrestre, que incluye cada relieve y recoveco en donde se puede sustentar la vida, como lo son las montañas, lagos, desiertos, lagunas costeras, glaciares, llanuras abisales, chimeneas hidrotermales marinas, valles, géiseres, el subsuelo y los océanos mismos. Debido a su origen y abundancia, el hierro constituye uno de los elementos más importantes en los ciclos biogeoquímicos que suceden en este espacio físico, y que son estudiados por diferentes ciencias, una de ellas es la Geomicrobiología.

     Aunque la palabra Geomicrobiología ya era usada hasta en patentes de los años cuarenta, el término fue definido como tal en la década de 1950; se le atribuye a Ernest Beerstecher en 1954, quien lo precisó como “el estudio de las relaciones de la historia de la Tierra y la vida de los microorganismos”. Una de las definiciones más completas es la de Serguei Kuznetsov y sus colaboradores en 1963: “es el estudio de los procesos microbianos que se llevan a cabo en los sedimentos modernos y cuerpos de agua, en aguas subterráneas que circulan a través de rocas sedimentarias e ígneas, y en la corteza terrestre meteorizada; la fisiología de microorganismos específicos toma parte de los procesos geoquímicos que ocurren”.

     Para que la Geomicrobiología adquiriera su forma actual tuvieron que ver la luz los trabajos de diversos personajes, como Christian Gottfried Ehrenberg (1795-1876), un importante naturalista alemán colega del polímata Alexander von Humboldt (1769-1859), con el que viajó en algunas expediciones. A Ehrenberg se le atribuye la introducción del término bacteria en 1828, y dedicó una buena parte de su existencia a describir la vida microscópica de los ambientes, incluyendo sedimentos de sitios profundos de los océanos.

     Uno de los aportes más importantes del siglo XIX fue el del ruso Serguei Nikolaievich Winogradsky (1856-1953), quien describió el proceso de nitrificación biológica. Además produjo un cúmulo enorme de información biológica, fisiológica y ecológica sobre las bacterias nitrificantes y las del hierro. De hecho, actualmente una práctica obligada en los cursos de Ecología Microbiana es que el alumno logre obtener una colorida columna de Winogradsky a partir de una muestra ambiental, con los niveles propios de óxido-reducción que siguen un gradiente de potencial de reducción o redox (E’0 —que es la capacidad inherente de un compuesto para dar o ceder electrones—, y se mide en voltios V), y un gradiente de concentración de oxígeno (aerobiosis-microaerofilia-anaerobiosis). La columna se trata básicamente de un sistema autónomo que se mantiene por la energía solar y la actividad de la microbiota distribuida en gremios metabólicos a lo largo del sistema; estos gremios son jerarquías ecológicas descritas por la coexistencia de especies y de sus estrategias para el reparto de los recursos de su entorno. La columna de Winogradsky ilustra lo que sucede en la naturaleza, donde diferentes organismos coexisten en una columna de agua y su sedimento asociado, y los microorganismos se distribuyen de acuerdo a sus capacidades metabólicas y a los recursos que existen.

     Winogradsky también describió el proceso de oxidación del ácido sulfhídrico (H2S) a azufre elemental por la gammaproteobacteria Beggiatoa y la oxidación del carbonato de hierro (FeCO3) a óxido férrico por la betaproteobacteria Leptothrix.

     Otro microbiólogo importante fue el holandés Martinus Willem Beijerinck (1851-1931), alumno de Winogradsky. Beijerinck estudió la fijación del nitrógeno en leguminosas, descubrió la respiración anaerobia (un tipo de respiración que no requiere oxígeno) en la que se reduce sulfato, y describió cuáles son las bacterias que la llevan a cabo. También propuso el muy conocido concepto en microbiología: medio de enriquecimiento. El ucraniano —que después se nacionalizó estadounidense Selman A. Waksman (1888-1973), llamado el padre de los antibióticos, contribuyó junto con su discípulo, Albert Schartz (1920-2005), con sus tratados sobre la Microbiología del suelo.

     Poco a poco, microbiólogos con conocimientos en Geología, y geólogos, químicos e ingenieros interesados en los microorganismos, fueron describiendo y configurando la intervención de la microbiota en procesos que antes sólo se miraban como abióticos. Tal es el caso de Edmund Cecil Harder, quien en 1919 en un interesante reporte descriptivo incluyendo dibujos, fórmulas de los medios de cultivo, fotografías de los cultivos y de las células vistas al microscopio, dilucida la fisiología de las bacterias en los depósitos de hierro en varios ambientes.

     Por otro lado, Claude E. ZoBell, un experimentado microbiólogo de ambientes marinos, específicamente de sitios profundos, definió en 1942 la importancia de las bacterias sulfato-reductoras (BSR) que viven en el subsuelo y que biodegradan petróleo. De hecho obtuvo una patente para un proceso de recuperación de petróleo utilizando este tipo de bacterias. ZoBell además, describió el papel del hierro en este grupo de microorganismos.

El 26 y sus microbios

Volviendo al hierro de la corteza terrestre, en los casi 20 km de espesor de la biósfera, los microorganismos juegan un papel muy importante en las transformaciones de este elemento en la naturaleza. El ciclo biogeoquímico del hierro comienza en las rocas, el suelo o el sedimento, y se incorpora a los distintos ambientes a través de rutas químicas atmosféricas y microbiológicas, según las condiciones de acidez o alcalinidad y de la presencia o no de oxígeno.

     El hierro es un metal muy reactivo y puede existir en varios estados de oxidación: 0 (hierro cero-valente, Fe(0)), +2 (hierro ferroso, Fe+2) y +3 (hierro férrico, Fe+3). Los estados de oxidación del hierro lo hacen versátil para unirse o coordinarse con otras moléculas, formando complejos estables en la naturaleza, como en moléculas como la hemoglobina o los citocromos.

     La Ecología Microbiana y la Geomicrobiología han comprobado que las bacterias aerobias que oxidan el hierro ferroso a férrico obtienen poca energía de este proceso, por lo que tienen que oxidar grandes cantidades del Fe2+ (ferroso) y se produce el ión Fe3+ (férrico).

06Fig03     El taxón mejor conocido por su capacidad de oxidar el hierro es Acidithiobacillus ferrooxidans (también llamado Thiobacillus ferrooxidans), es una bacteria Gram negativa, autótrofa, de la clase Betaproteobacteria, que utiliza el hierro ferroso o compuestos reducidos de azufre y se puede encontrar en drenajes de minas con pH ácido. Acidithiobacillus ferrooxidans también es conocida por tener una enzima llamada rusticianina que está implicada en el proceso de oxidación de hierro. La rusticianina es capaz de funcionar a pH muy ácido (tiene un pH óptimo de 2) y sólo ha sido posible encontrarla en esta bacteria. Por otra parte, la arquea Sulfolobus también oxida el hierro en condiciones ácidas, pero lo hace si la temperatura es elevada, casi llegando al punto de ebullición del agua. Se le ha encontrado en aguas termales con alto contenido de azufre elemental.

     Otra bacteria oxidadora de hierro muy conocida por su relación con procesos de corrosión, y descrita por Ehrenberg en 1836, es Gallionella ferruginea, que oxida Fe+2 a Fe+3 sólo si el pH es neutro, lo que genera precipitados de hidróxido de hierro. Gallionella, que es autótrofa (que produce materia orgánica partiendo de una sustancia inorgánica, como las plantas o las cianobacterias, los organismos heterótrofos deben alimentarse de otros seres para conseguir la materia orgánica sintentizada), se encuentra en la red de tuberías que transportan agua potable, y también habita en los fondos oceánicos y en las minas de uranio en presencia de otros metales, como plomo, níquel y cobre.

     El proceso inverso a la oxidación se conoce como reducción. Por ejemplo, la reducción de hierro férrico a ferroso es la transformación del ión (Fe3+ ) a (Fe2+). Tanto la oxidación como la reducción son procesos que implican dar o ceder electrones; en este caso en particular el hierro férrico recibe electrones (por lo tanto es un aceptor), y así queda reducido a ferroso. Las bacterias reductoras de hierro (BRH) llevan a cabo un proceso que se denomina “reducción desasimilatoria”, en el que utilizan sulfatos, nitratos o CO2 como aceptores finales de electrones, y excretan el producto reducido. Las BRH se pueden encontrar en sedimentos de cuerpos de agua dulce y marina, en aguas termales, en aguas residuales y en suelos. Otros procariontes pueden utilizar el Fe+3 como aceptor final de aquéllos electrones que provienen de la respiración, y obtienen energía de este proceso, que está ampliamente difundido en los dominios Bacteria y Archaea. Los taxa más estudiados son Shewanella, Geobacter y Geothrix. Otros microorganismos utilizan el hierro férrico en presencia de sulfuro de hidrógeno (o ácido sulfhídrico H2S), y habitan en ambientes anóxicos, como en turberas, en sedimentos de cuerpos de agua como lagos y lagunas, y en sitios en donde se acumula agua con poco oxígeno disuelto, como charcas. Químicamente, el hierro férrico también es reducido a sulfuro ferroso (FeS), así que el ciclo del hierro tiene varias interacciones con el ciclo del azufre en diversos ambientes.

06Fig04     Existe otro grupo bacteriano interesante que utiliza el hierro, y es el de los fotótrofos anoxigénicos oxidadores de hierro ferroso. Estas bacterias tienen una implicación evolutiva muy importante en la fotosíntesis. Se trata de las bacterias rojas y verdes que tienen pigmentos que forman ATP (molécula de energía química) cuando hay luz, usan bacterioclorofilas y un solo fotosistema en el proceso fotosintético (véase el artículo de Souza y M. Voladomat Jasso). Estas bacterias tienen otra forma de construír azúcares a partir del CO2  (el artículo de Souza y M. Voladomat Jasso describe este proceso con más detalle), ya que no rompen la molécula del agua para producir O2, si no que utilizan una molécula reducida, como por ejemplo algún compuesto orgánico, hidrógeno (H2) o azufre.

     Las formaciones de bandas de hierro (BIF por sus siglas en inglés) son depósitos de óxidos de Fe, como magnetita (Fe3O4) y hematita (Fe2O3). Estos compuestos se acomodan en capas de unos cuantos centímetros de grosor en rocas sedimentarias de ambientes marinos que datan del Precámbrico, entre los 2,400 y 1,800 millones de años. Anteriormente, la oxidación de Fe+2 en las capas (BIF) se atribuía al oxígeno producido por cianobacterias (véase el artículo de Souza y M. Voladomat Jasso); estas bacterias utilizan dos fotosistemas, una configuración más compleja para el proceso de producción de O2, y que seguramente apareció mucho después que el sistema fotosintético de los anoxigénicos. La formación de estas bandas ha dejado de asociarse con el oxígeno generado por cianobacterias, ya que actualmente se ha observado en la naturaleza y en experimentos en microcosmos, que bajo ciertas condiciones de intensidad luminosa y de longitud de onda, a unos cientos de metros bajo la columna de agua donde ya no hay cianobacterias, llegan a existir bacterias fotótrofas anoxigénicas que oxidan al hierro ferroso (Fe+2) sin problema.

El 26 y las bacterias magnetotácticas, una relación muy antigua

Las bacterias magnetotácticas (BMT) son un grupo filogenéticamente diverso que exhibe diferentes metabolismos y morfologías. Las BMT son Gram negativas que sintetizan nanopartículas magnéticas, in vivo y a temperatura ambiente en forma de magnetita (Fe3O4) o greigita (Fe3S4). La síntesis ocurre dentro de cuerpos llamados magnetosomas, mismos que les confieren la magnetotaxis, que es el movimiento y la orientación de las BMT en dirección del campo geomagnético. Los magnetosomas son estructuras que se arreglan en cadena a lo largo del eje mayor de la célula, cada uno está constituido por una especie de vesícula cuya membrana es de fosfolípidos (ver la última figura).

     Los análisis de genómica y proteómica sugieren que las proteínas de los magnetosomas relacionadas con la formación de la vesícula y la biomineralización del hierro, son codificadas por genes que se encuentran en islas genómicas. Las islas genómicas son grandes regiones del genoma bacteriano que no siempre se encuentran presentes. Estos genes se adquieren por transferencia horizontal (véase Souza y Eguiarte Oikos= 2) de otras bacterias, dependiendo de las condiciones del ambiente, lo que refleja el carácter de adaptación específica que representa el proceso y las islas genómicas en sí.

     Las BMT habitan en  zonas con bajas concentraciones de oxígeno de cuerpos de agua someros o poco profundos, y se estima que existen desde hace 3,500 millones de años. Las BMT que tienen magnetosomas con nanocristales de magnetita (óxido de hierro) son principalmente de la clase Alfaproteobacteria, y las que producen nanocristales de sulfuro de hierro (greigita) pertenecen a la clase Deltaproteobacteria, que en su mayoría son bacterias relacionadas con el azufre (como las bacterias sulfato-reductoras o BSR), lo que sugiere que el origen evolutivo de ambos grupos de bacterias magnetotácticas fue separado.

06Fig05     Recientemente se describió un grupo de las BSR que no se conocía, que puede producir nanocristales de magnetita o de greigita dependiendo de las condiciones del ambiente. Lo interesante en ellas es que tienen diferentes genes para producir los dos tipos de magnetosomas, para magnetita y para greigita.

     En México, en Cuatro Ciénegas, Coahuila, que está en medio del desierto, hemos encontrado especies de BMT de origen marino, y el análisis del gen ribosomal 16S indica que pertenecen a las clases Deltaproteobacteria y Alfaproteobacteria; estas bacterias, además de los genes característicos que codifican a los magnetosomas, tienen otros que son similares a los encontrados en sedimentos marinos con actividad volcánica. Estos hallazgos nos hablan de la diversidad de BMT en un sitio que es un relicto del Precámbrico, con pocos nutrientes, donde hay mucha competencia para mantenerse vivos y donde la vida depende de los estromatolitos y tapetes microbianos. Puedes leer más sobre estromatolitos en Oikos= 2).

     El potencial biotecnológico de los magnetosomas de las BMT es muy amplio. Tienen un momento magnético estable a temperatura fisiológica del microorganismo que las produce, lo que les da ventaja con respecto a las nanopartículas sintetizadas químicamente, ya que éstas suelen tener un momento magnético térmicamente inestable. Las BMT tienen propiedades que permiten su uso como agentes de contraste para obtener imágenes por resonancia magnética (MRI por sus siglas en inglés). La cadena de magnetosomas dentro de la célula bacteriana tiene una configuración estable, aun cuando se rompa a la bacteria para aislarla. Este arreglo se aprovecha porque evita que las nanopartículas se agreguen entre sí, que es lo que sucede con frecuencia en las de origen sintético in vitro.

    La cubierta de los magnetosomas es de lípidos, por lo que éstos se dispersan bien en el agua, además son poco tóxicos y poseen gran biocompatibilidad, así que son utilizados para transportar fármacos. En cambio, las nanopartículas sintéticas que no están recubiertas de manera natural, se tienen que estabilizar con químicos como dextran o moléculas de polietilenglicol, por lo que sintetizarlas es más complicado.

     Se ha visto que los magnetosomas son fácilmente funcionalizables, es decir, que se les pueden adherir o anclar otras moléculas en su superficie, lo que les da una gran diversidad de posibilidades de aplicación en el campo de la Nanobiotecnología. También se han cultivado BMT de manera continua, como con Magnetospirillum, estos cultivos llegan a rendir hasta 170 mg de magnetosomas por litro por día. Sin embargo, aún no se alcanza la escala industrial ni comercial. Otra ventaja que ofrecen es que la producción es químicamente limpia, en comparación con las nanopartículas sintéticas in vitro, que durante su síntesis generan productos tóxicos al ambiente.

Conclusión

Como podemos ver, el hierro está presente desde el origen mismo de la Tierra, y las primeras moléculas y formas de vida han interactuado con él desde tiempos geológicos muy antiguos. Ha jugado un papel importantísimo en las distintas maneras de respiración que presentan los seres vivos, y en muchos casos define la estructura de las comunidades microbianas que son capaces de utilizarlo en sus diversos estados de oxidación.

     En un sentido antropológico el hierro también ha sido trascendental, como se refleja en las pinturas rupestres de hasta 40,000 años de antigüedad, creadas a partir de polvos de óxido de hierro y carbón. El hierro fue uno de los puntos de inflexión en la historia de la humanidad, los grandes avances tecnológicos de la Edad de Hierro fueron cruciales en la labranza de los campos de cultivo y para el diseño y elaboración de armas, lo que cambió la distribución de las poblaciones de humanos, moviéndose de las planicies aluviales a otros sitios, permitiendo así la formación de pequeños asentamientos y luego, de grandes imperios.

     Hace 3,000 años se descubrió por casualidad, que cuando el hierro absorbía carbón de las brasas, se producía un material más resistente y maleable, hoy lo conocemos como acero. El uso de la moneda de aleaciones de hierro, hacia finales del siglo VII a.C., trae consigo la transformación del comercio. Y desde el siglo V a.C., la antigua farmacopea da cuenta de la famosa Terra sigillata, una especialidad farmacéutica basada en caolín, magnesio y óxidos de hierro para tratar diversos males, tanto úlceras como gonorrea. En la Edad Media, las tintas para escritura eran mezclas que se hacían de las tumoraciones del tronco del roble, llamadas agallas, y sulfato de hierro y cobre, el resultado era un color negro intenso difícil de borrar. En las manifestaciones artísticas, desde los primeros pintores egipcios, la antigüedad y la Edad Media, hasta las expresiones contemporáneas, los pigmentos a base de hierro, y especialmente de óxidos, han sido los más utilizados, porque su escala cromática alcanza de los amarillos pálidos, los rojos rubí, hasta los pardo rojizos y negro. Desde el inigualable azul profundo y sólido, característico de las pinturas europeas de los años 1700, que surge de la combinación justa del cianuro con el hierro, hasta la tinta magnética para cheques y billetes para evitar falsificaciones, desde los murales mayas del periodo Clásico (300 - 900 a.C.), pasando por el salón de los 500 de Vasari en Florencia (1570), hasta la cubeta que usamos para trapear, los pigmentos a base de óxidos de hierro han dejado su huella indeleble en nuestra cultura.

     El hierro no es poca cosa en nuestro país, tan es así que en 1884, bajo la política de Porfirio Díaz, se promulgaron las leyes mineras por las que las minas se entregaban en propiedad privada irrestricta a quienes las explotaban, pasando paulatinamente de manos españolas a inglesas y norteamericanas, así que la cuarta parte del capital extranjero se concentró en la explotación no sólo de cobre, oro y plata, sino también de hierro.

     El hierro y su presencia, como sugerencia poética para referirnos a la fortaleza y al estoicismo humanos, como las polvaredas rojas de óxidos férricos de Marte o de la Costa Chica de Guerrero, como las magnificentes obras humanas materializadas en la Torre Eiffel, los largos tramos ferroviarios, los ductos submarinos y hasta el Palacio de Hierro de Orizaba, el hierro trasciende los tiempos y se muestra así, fundamental, cosmopolita y necesario.

Literatura recomendada

  • Asimov, I. 1953. Las bóvedas de acero.
  • Dworkin M., Falkow S., Rosenberg E., Schleifer K.H., Stackebrandt E., (Eds.) 2006. The Prokaryotes. A handbook on the Biology of Bacteria. Volume 2: Ecophysiology and Biochemistry. Springer. NY. USA. 1107 pp.
  • Castera, P. 1882. Los maduros.
  • Lehninger A.L. 1991. Bioenergética. Fondo Educativo Interamericano. 242 pp.
  • Lem, S. 1964. El Invencible.
  • Tarbuck E.J., Lutgens F.K., Tasa, D. 2005. Ciencias de la Tierra. Edit. Prentice Hall. 712 pp.