Descubren cómo las primeras células de la Tierra aprovecharon el H2 como fuente de energía

Un nuevo informe descubre cómo el gas hidrógeno, la energía del futuro, proporcionó energía en el pasado, en el origen de la vida hace 4 mil millones de años. Y confirmaría que la vida se originó en respiradores hidrotermales.

El gas hidrógeno es un combustible limpio. Se quema con oxígeno en el aire para proporcionar energía sin CO2. El hidrógeno es clave para la energía sostenible del futuro.

La Tierra podría tener grandes reservas de hidrógeno, un combustible renovable y sin carbono

Aunque los humanos apenas se están dando cuenta ahora de los beneficios del gas hidrógeno (H2 en taquigrafía química), los microbios saben que el H2 es un buen combustible desde que existe vida en la Tierra.

El hidrógeno es una energía antigua. Las primeras células de la Tierra vivieron del H2 producido en los respiraderos hidrotermales, utilizando la reacción del H2 con el CO2 para producir las moléculas de la vida.

Los microbios que prosperan a partir de la reacción del H2 y el CO2 pueden vivir en oscuridad total, habitando hábitats primordiales y espeluznantes como respiraderos hidrotermales de aguas profundas o formaciones rocosas calientes en las profundidades de la corteza terrestre, entornos donde muchos científicos creen que surgió la vida misma.

Soluciones de ingeniería

En PNAS se publican ahora nuevos conocimientos sorprendentes sobre cómo las primeras células de la Tierra llegaron a aprovechar el H2 como fuente de energía.

El nuevo estudio proviene del equipo de William F. Martin, de la Universidad de Düsseldorf, y Martina Preiner, del Instituto Max Planck (MPI) de Microbiología Terrestre en Marburg, con el apoyo de colaboradores en Alemania y Asia.

Para recolectar energía, las células primero tienen que empujar energéticamente los electrones del H2 hacia arriba. "Es como pedirle a un río que fluya cuesta arriba en lugar de cuesta abajo, por lo que las células necesitan soluciones de ingeniería", explica uno de los tres primeros autores del estudio, Max Brabender.

La forma en que las células resuelven este problema fue descubierta hace sólo 15 años por Wolfgang Buckel, junto con su colega Rolf Thauer en Marburg. Descubrieron que las células envían los dos electrones del hidrógeno por caminos diferentes.

Un electrón va cuesta abajo, tanto que pone en movimiento algo parecido a una polea (o un sifón) que puede tirar energéticamente del otro electrón cuesta arriba. Este proceso se llama bifurcación electrónica.

Enigma resuelto

En las células se requieren varias enzimas que envían los electrones cuesta arriba hasta un antiguo y esencial portador de electrones biológico llamado ferredoxina.

El nuevo estudio muestra que, a un pH de 8,5, típico de los respiraderos naturalmente alcalinos, “no se requieren proteínas”, explica Buckel, coautor del estudio, y añade: “el enlace H-H del H2 se divide en la superficie del hierro, generando protones que son consumidos por el agua alcalina y los electrones que luego se transfieren fácilmente directamente a la ferredoxina”.

Cómo pudo haber funcionado una reacción energéticamente cuesta arriba en la evolución temprana, antes de que existieran las enzimas o las células, ha sido un enigma muy difícil.

"Varias teorías diferentes han propuesto cómo el medio ambiente podría haber empujado energéticamente a los electrones hacia la ferredoxina antes del origen de la bifurcación electrónica", dice Martin, "pero nosotros hemos identificado un proceso que no podría ser más simple y que funciona en las condiciones naturales de los respiraderos hidrotermales", añade.

Proceso antiguo

Desde el descubrimiento de la bifurcación de electrones, los científicos han descubierto que el proceso es antiguo y absolutamente esencial en los microbios que viven del H2.

El problema desconcertante para químicos con mentalidad evolucionista como Martina Preiner, cuyo equipo en Marburgo se centra en el impacto del medio ambiente en las reacciones que los microbios utilizan hoy en día y posiblemente en el origen de la vida, es: ¿cómo se aprovechaba el H2 para las vías de fijación de CO2 antes de que existieran las complicadas proteínas?

"Los metales proporcionan respuestas", dice: "al inicio de la vida, los metales en condiciones ambientales antiguas pueden enviar los electrones del H2 cuesta arriba, y podemos ver reliquias de esa química primordial conservadas en la biología de las células modernas".

Pero los metales por sí solos no son suficientes. "El H2 también debe ser producido por el medio ambiente", añade la coautora Delfina Pereira del laboratorio de Preiner. Estos entornos se encuentran en los respiraderos hidrotermales, donde el agua interactúa con rocas que contienen hierro para producir H2 y donde los microbios todavía viven hoy a partir de ese hidrógeno como fuente de energía.

La naturaleza también lo hace

Los respiraderos hidrotermales, tanto modernos como antiguos, generan H2 en cantidades tan grandes que el gas puede convertir minerales que contienen hierro en hierro metálico brillante.

"Que el hidrógeno puede producir hierro metálico a partir de minerales no es ningún secreto", afirma Harun Tüysüz, experto en materiales de alta tecnología del Instituto Max Planck de Kohlenforschung Mülheim y coautor del estudio.

"Muchos procesos en la industria química utilizan H2 para producir metales a partir de minerales durante la reacción". La sorpresa es que la naturaleza también hace lo mismo, especialmente en las fuentes hidrotermales, y que este hierro depositado naturalmente podría haber desempeñado un papel crucial en el origen de la vida.

Cuestión de hierro

El hierro fue el único metal identificado en el nuevo estudio que pudo enviar los electrones del H2 cuesta arriba hasta la ferredoxina. Pero la reacción sólo funciona en condiciones alcalinas como las de cierto tipo de respiraderos hidrotermales.

Natalia Mrnjavac, del grupo de Düsseldorf y también coautora del estudio, señala: “esto encaja bien con la teoría de que la vida surgió en tales entornos. Lo más emocionante es que reacciones químicas tan simples pueden cerrar una brecha importante en la comprensión del complejo proceso de los orígenes, y que hoy podemos ver esas reacciones funcionando en las condiciones de los antiguos respiraderos hidrotermales en el laboratorio”.

Referencia

Ferredoxin reduction by hydrogen with iron functions as an evolutionary precursor of flavin-based electron bifurcation. Max Brabender et al. PNAS (2024). DOI: 10.1073/pnas.2318969121