Autors:
Cristina Galobart, Marc Jordan, Maria del Mont Mallol, Pol Vives
RESISTÈNCIA DELS
MICROORGANISMES ALS METALLS PESANTS
Els elements químics que presenten una
densitat alta i una determinada
toxicitat per als éssers humans s’anomenen metalls pesants. Els més comuns són Cu, Zn, Pb, Cd, Cr, Ni, Co, Ag
i Au.
 |
| Figura 1: contaminació per metalls pesants. |
En general es
considera metall pesant aquells que la seva densitat és igual o superior a 5
g/cm3 en la seva forma elemental, el número atòmic és superior a 20
(excepte alcalins i alcalinoterris) i tenen una gran resistència a la
biodegradació ja que solen
oxidar-se o incorporar-se als éssers vius.
Aquests tipus de
metalls es troben a la natura en el procés de de formació natural dels sòls. Però la seva concentració no és
perjudicial per als organismes i es troben en un estat molt insoluble1.
L’activitat humana provoca l’augment d’aquesta
concentració o passen a un estat soluble perjudicial pel medi.
 |
| Figura 2: Comportament dels metalls pesants. |
Hi ha una sèrie de
microorganismes que han desenvolupat
diverses mutacions gèniques que han
permès la colonització dels
medis
amb pre sència
d’aquests metalls. Aquests
s’anomenen extremòfils i més
concretament, quan les condicions són d’alta concentració de metalls pesants,
s’anomenen metalotolerants.
El p
MECANISMES MOLECULARS DE
RESISTÈNCIA ALS METALLS PESANTS
Els únics
microorganismes capaços de viure en un medi on hi hagi una concentració elevada
d’algun metall pesant són els microorganismes
que han desenvolupat resistència.
 |
| Figura 3: Els dispositius es troben en el cromosoma bacteriò i en plasmidis. |
La capacitat
de resistència ve codificada genèticament. Aquests dispositius es troben en el
cromosoma bacterià i/o en els plasmidis. El fet que
estiguin situats en una part mòbil que conté la informació genètica permet una
transmissió horitzontal d’aquesta.
Els
organismes amb ca
pacitat
catalítica dels metalls pesants tenen dos mecanismes per assimilar-los. Una ruta ràpida i inespecífica que pot
adoptar-se en diferents tipus de substrat. Una altra més lenta però molt específica per cada substrat que s’utilitza amb
menys freqüència. Un cop els cations metàl·lics entren dins del citoplasma
aquesta entrada no es pot tancar i provoca un procés d’adaptació espontània al
medi.
La
resistència a metalls pesants ve donada per múltiples sistemes específics2 dels microorganismes amb els
diferents substrats aconseguint
sobreviure.
Els
sistemes desenvolupats per resistir els
diferents efectes nocius apareixen per l’aplicació de diferents factors: captura
d’ions, neutralitzant la toxicitat; enzims
modificadors dels metalls, convertint-los en menys tòxics; transportadors que expulsen les espècies nocives.
Captura dels ions en la cèl·lula
L’aparició
i acumulació dels ions metàl·lics té lloc a la membrana, en l’espai
periplasmàtic o a l’interior cel·lular.
L’acció
de diferents polímers estructurals permet
la interacció amb els metalls,
atrapant-los a l’interior de l’estructura (bioabsorció).
Un d’aquestes interaccions és el “segrest” de l’urani.
També
poden participar proteïnes que
s’uneixen als ions ja que posseeixen una gran afinitat, evitant les interaccions
amb les proteïnes essencials del microorganisme. Alguna d’aquestes proteïnes poden ser:
proteïna unió a plata SilE, proteïna CopH, etc.
Transformacions
induïdes per enzims
Les transformacions
enzimàtiques dels metalls inclouen les oxidacions, reduccions, metilacions i
desmetilacions.
La
detoxificació per reducció és la més
freqüent de totes. En aquest cas es requereix que el potencial redox del metall
pesant es trobi entre el potencial redox de la parella H2/H+
(-421 mV) i el potencial redox de la parella O2/H2 (808
mV) per tal de poder ser transformant i no sigui perjudicial pel
microorganisme.
Si el metall no pot ser reduït per les vies
cel·lulars o la reducció no és convenient, el metall pot ser transportat a
l’exterior cel·lular evitant la mort.
Explosió
dels ions metàl·lics
La
resistència a metalls es basa en el flux
actiu dels ions tòxics, expulsant-los en forma d’ions derivats com del
cadmi, cobalt, etc. En aquest procés intervenen tres mecanismes diferents: els facilitadors de difusió de cations, les
ATPasa P i els transportadors compostos (RND) (Figura 1).
Aquests
mecanismes asseguren la homeòstasis cel·lular garantint la supervivència en
ecosistemes contaminats.
- ATPasa P
Defensa bàsica contra cations. Aquestes proteïnes de transport són dirigides per la
hidròlisi de l’ATP. Els substrats són cations inorgànics. Les ATPases P
transporten el seu substrat des de l’exterior o des del periplasma fins al
citoplasma.
-Transportadors de la família RND
Formats
per una proteïna encarregant-se
de excretar els metalls pesants.
Forma
un complex amb dues proteïnes que permet transportar els diferents metalls a
través de la membrana externa directament a l’exterior.
Aquest
procés es considera el més important
en quan a la resistència a metalls pesants, degut a la seva complexitat i a que
s’elimina el producte a l’exterior.
-Facilitadors de difusió de cations
Procés
complementari als transportadors RND. El complex CDF s’encarrega del transport mitjançant un gradient de concentració quimioosmòtic, de pH o de potassi.
Aquest
tipus de difusió és poc comú ja que els microorganismes tenen pocs gens que
codifiquin CDF.
 |
Figura 4
|
APLICACIONS
El fet d’haver
descobert que hi ha microorganismes capaços de resistir concentracions elevades
de metalls pesants en el medi ha obert la porta a nous estudis, destinats al
sanejament del medi ambient3.
En els últims anys
la pol·lució ha augmentat vertiginosament, fet que comporta molts canvis en el
rol dels ésser vius. Inicialment aquests contaminants són tractats amb mètodes
químics. Quan les concentracions de metall són baixes esdevenen d’alt cost
econòmic i són parcialment efectius.
Cal destacar tres
aplicacions importants: intercanvi dels determinants genètics de resistència
als metalls d’un bacteri a un altre; bioextracció dels metalls directament dels
mineral o dels residus industrials; restauració del medi ambient.
Tot i això, al
veure que espontàniament hi ha bacteris que han arribat a ser capaços de viure
en medis d’altes concentracions, dona moltes sortides a l’hora de fer recerques
biològiques i biotecnològiques per preservar el medi.
A continuació es presenta un article relacionat amb possibles aplicacions:
CONCLUSIONS
Els metalls pesants es troben en
molts ambients del planeta. Aquests provoquen una altra toxicitat. No obstant,
trobem diferents microorganismes que han aconseguit la capacitat de resistir
amb la presencia d’aquests.
Els microorganismes han adaptat el
seu comportament intern de tres maneres per tal de poder resistir als metalls.
La captura d’ions en la cèl·lula
permet atrapar els metalls pesants amb l’ajuda de diferents estructures, com
diferents polímers estructurals.
Les transformacions induïdes per
enzims amb processos com reduccions, metilacions i desmetilacions aconsegueixen
modificar el metall o transportar-los a l’exterior de la cèl·lula.
Finalment l’explosió dels ions
metàl·lics forma un flux actiu d’ions tòxics i els expulsa en forma de derivats
d’aquests. Aquesta explosió ve donada per l’ATPasa P, facilitadors de difusió
de cations i transportadors de compostos.
Els estudis sobre aquests
microorganismes permeten un gran avanç en les investigacions biològiques i
biotecnològiques per preservar el medi ambient i trobar aplicacions
industrials.
WEBLIOGRAFIA
2.http://www.bib.fcien.edu.uy/files/etd/pasan/uy24-15835.pdf
(16 d’abril).
3.http://www.medigraphic.com/pdfs/lamicro/mi-2006/mi062v.pdf
(16 d’abril).
BIBLIOGRAFIA
- Gonzalez, Maria Isabel (1999). La biotecnologia en el tratamiento
de residuos Industriales. A Coruña.
-
Madigan, M T, Martinko, J M, Dunlap, P V & Clark, D P (2009). Brock
Biology of Microorganisms (12). Prentice Hall.
El treball té un problema d'enfoc, i és que es barregen els aspectes de resistència als metalls, que és el tema que heu de tractar, amb uns altres referits a les transformacions de metalls produïdes pels bacteris i a la bioremediació, que no sempre estan relacionats amb aquest tema. Certament, alguns mecanismes de transformació poden formar part també d'estratègies de resistència, però en cap moment es comenta quins poden tenir aquesta utilitat per als bacteris i quins no, i de fet els que no la tenen ja no s'haurien d'esmentar. No té sentit, doncs, que hi hagi un apartat destinat a les transformacions. En lloc d'això, s'haurien de desenvolupar més els mecanismes de resistència que esmenteu en l'apartat anterior i comentar únicament aquelles transformacions que són útils en aquest sentit, dintre de l'apartat que correspongui segons el tipus d'estratègia de resistència.
ResponderEliminarLa taula i els vincles que heu introduït tampoc s'utilitzen correctament. En cap cas estan citats en el text, alguns no tenen a veure amb la resistència dels bacteris als metalls pesants i els que sí que ho estan i que podrien ser útils, no estan explicats.
En conjunt, dóna la sensació que heu trobat 4 o 5 aspectes que tenen a veure amb la relació entre els microorganismes i els metalls i els heu ajuntat sense destriar bé si tractaven sobre la resistència o no (heu de tenir en compte que ja hi ha un altre treball sobre la bioremediació de metalls, i això no és el que se us demana que expliqueu en el vostre cas) i sense unir-los amb un fil conductor ben definit. En alguns casos, en què realment esmenteu aspectes interessants i adequats al tema, hi passeu de puntetes sense entrar en gaires detalls, com si no fóssiu capaços d'explicar-ho correctament. Us falta païr bé la informació que heu trobat, acabar-ho d'entendre (només si ho enteneu sereu capaços d'explicar-ho bé), destriar allò que pot ser útil per al vostre tema del que no ho és, ordenar-ho i aprofundir en els aspectes que realment es corresponen amb el tema. També heu de buscar més material ilustratiu per internet, adequat al que comenteu en el text i convenientment referenciat.
A més, hi ha alguns punts més concrets que són incorrectes o dubtosos, o bé estan mal expressats:
- Els metalls es concentren en el procés de formació de les roques o dels sòls? No és el mateix una cosa que l'altra.
- Metanotolerants o metalotolerants?
- No queda clara la diferència entre els microorganismes tolerants als metalls i els resistents. Si als tolerants no els afecta la presència de metalls, bé deu ser perquè han desenvolupat mecanismes de resistència contra la seva toxicitat, no?
- Els gens que tenen a veure amb la resistència es troben al cromosoma o als plasmidis? Tal i com ho dieu, sembla com si fos el mateix.
- L'apartat d'impacte ambiental té més a veure amb la introducció que amb la part final, on s'esperaria trobar-hi aplicacions o conclusions.
- Les conclusions han de ser aspectes que hagin estat explicats en el text o que se'n derivin directament, a tall de resum o de corolari final. El que expliqueu en aquest apartat són més aviat possibles aplicacions que ja està bé que es comentin cap al final del treball, però no com a conclusions.
- La bibliografia, igual que les taules i figures, han d'estar referenciades correctament en el text.
- Cal que esmenteu els vostres noms, com a autors del treball.
Avaluable
ResponderEliminar"L’aparició i acumulació dels ions metàl·lics té lloc a la membrana, en l’espai periplasmàtic o a l’interior cel·lular."
De què depèn? Quins avantatges suporta a l'organisme en cada cas?
Si el metall no pot ser reduït per les vies cel·lulars o la reducció no és convenient, el metall pot ser transportat a l’exterior cel·lular evitant la mort. Si aquest no pot ser reduït i s'ha d'extreure, per què el capta el microorganisme?
Blanca Garcia i Xavier Serrat.
Hola,
EliminarLes respostes a les vostres preguntes són:
- En la primera pregunta cal dir que els microorganismes acumulen els ions a la membrana, en l'espai periplasmàtic o a l'interior cel·lular. Aquest fet depèn del microorganisme implicat, és a dir, un microorganisme que tingui una membrana de mida més gran acostumarà a acumular els metalls en aquesta.
Val a dir que no s'ha confirmat que aquests fets puguin aportar algun avantatge sobre cada microorganisme.
- Per a la segona pregunta destaquem que en el cas que no es pugui reduir per les vies cel·lulars, el microorganisme no capta el metall expressament. Depenent de l'ambient on es troba el seu sistema el capta sense voler. D'aquesta manera, al no poder-lo incorporar, necessiten expulsar-lo per tal d'evitar la mort.
Moltes gràcies.
Els membres del grup.
Avaluable
ResponderEliminarM'agradaria saber si aquests mateixos organismes poden tenir aplicacions clíniques i sanitáries en humans que poguin patir malalties per elevades quantitats de metalls pesants en el organisme.
Gabriel Carmona, Guillem Arboix
Hola Gabriel i Guillem.
EliminarLa resposta a la vostra pregunta és la següent. La resposta és que sí que es poden utilitzar. S'ha de tenir en compte que si el microorganisme és patògen per a l'individu no es podrà utilitzar per a possibles aplicacions mèdiques.
Moltes gràcies.
Els membres del grup.
Ana Peris: Avaluable
ResponderEliminarHi han alguns bacteris que tenen la capacitat de viure en ambients amb elevada concentració d'aquests metalls. La meva pregunta és: sabeu quin tipus de mecanisme utilitzen aquests bacteris per diferenciar-se de la resta que viuen en baixa presència de metalls. Utilitzen un altre tipus de via metabòlica o la mateixa però més complexa? Quins altres tipus d'adapatacions han tingut que fer aquests bacteris per viure en aquests medis?
Hola Ana,
EliminarLes respotes a les preguntes que formules es troben en el blog. No obstant això, intentarem respondre-les.
Bàsicament la gran diferència entre els microorganismes resistents dels que no ho són és que els primers han desenvolupat rutes metabòliques alternatives per poder sintetitzar aquest tipus de metall.
D'aquesta manera queden les tres preguntes contestades.
Moltes gràcies.
Els components del grup.
Klaus A. Santillán: Evaluable
ResponderEliminarDe que depende de que los microorganismos usen la vía rápida o lenta para catalizar los metales pesados?
Este comentario ha sido eliminado por el autor.
EliminarHola Klaus,
EliminarLa resposta a la teva pregunta és la següent. La utilització d'una via o una altra depèn del substrat. En el cas que es presenti el substrat pel qual el microorganisme és específic s'utilitzarà la via lenta. En canvi, si es tracta d'un substracte qualsevol, a l'hora de metabolitzar-lo, utilitzarà la via ràpida, ja que és inespecífica.
Moltes gràcies.
Els components del grup.
Carla Rovira Victoria, avaluable:
ResponderEliminarCom és que el procés de transportadors de la família RND es considera el més important en la resistència de metalls pesants? Quina és la seva complexitat que comenteu?
Molt interessant, gràcies.
Hola Carla,
EliminarLa resposta a la teva pregunta és la següent. Aquesta és la via més important ja que el complex proteïc funciona com una eficient bomba d'expulció que transporta els ions tòxics des del citoplasma fins a l'exterior de la cèl·lula bacteriana (a diferència dels altres sistemes d'expulsió que només transloquen el substrat a l'espai periplasmàtic).
Moltes gràcies.
Els membres del grup.