El hidrógeno aparece cada vez con más frecuencia en las conversaciones sobre el futuro de la energía limpia. Cuando se utiliza como combustible, produce agua en lugar de dióxido de carbono. Puede almacenar energía, impulsar vehículos y ayudar a alimentar procesos industriales difíciles de electrificar. Muchos gobiernos e industrias lo consideran una pieza indispensable en la transición lejos de los combustibles fósiles.
El problema es que la mayor parte del hidrógeno que se produce hoy no es especialmente limpio. El método dominante, a partir de metano con vapor, depende del gas natural y libera grandes cantidades de dióxido de carbono. Incluso métodos más recientes, como la electrólisis del agua, requieren mucha electricidad, además de agua, que no siempre proviene de fuentes renovables.
Por esta razón, científicos de todo el mundo buscan formas alternativas y complementarias de producir hidrógeno con un menor impacto ambiental. Una de las vías más prometedoras proviene de un lugar inesperado: la vida microscópica.
Muchos microorganismos producen hidrógeno de forma natural como parte de su metabolismo. Ciertas bacterias y arqueas generan hidrógeno cuando descomponen compuestos orgánicos en ambientes sin oxígeno. Este proceso existe desde hace miles de millones de años, mucho antes de que los humanos comenzaran a pensar en el hidrógeno como fuente de energía.
Ahora los investigadores plantean una pregunta interesante. ¿Podemos aprender de estos microbios y adaptar su maquinaria biológica para producir hidrógeno de forma controlada y eficiente?
Nuestro proyecto de investigación explora esta idea en uno de los entornos más remotos y extremos del planeta: los “cold seeps”, o filtraciones frías, del Alto Ártico.
Equipo de investigación trabajando en el archipiélago de Svalbard (océano Ártico)
Vida en las filtraciones frías
Las filtraciones frías son lugares del fondo marino donde gases y fluidos escapan lentamente desde los sedimentos subterráneos. Estos fluidos suelen contener metano, hidrocarburos y otros compuestos que los microbios pueden usar como fuente de energía. El entorno es oscuro, frío y a menudo pobre en oxígeno, pero aun así alberga comunidades microbianas muy activas.
Alrededor del archipiélago de Svalbard, en el océano Ártico, se han descubierto varios sistemas de filtraciones frías a lo largo de la plataforma y el talud continental. A pesar de que la temperatura del agua está cerca del punto de congelación, los microbios prosperan allí.
Estos microorganismos se han adaptado a condiciones que serían difíciles para la mayoría de las formas de vida. Sus enzimas funcionan de manera eficiente a bajas temperaturas y sus sistemas metabólicos les permiten sobrevivir en ambientes con poca energía disponible. Algunos de estos microbios son capaces de producir hidrógeno como parte de sus redes metabólicas. Estas características los vuelven interesantes no solo para la ecología, sino también para la biotecnología.
En busca de productores de hidrógeno
Nuestro proyecto comienza en el océano Ártico. Durante expediciones científicas alrededor de Svalbard, hemos recolectado muestras de sedimento del fondo marino utilizando equipos especializados desplegados desde buques de investigación. Los dispositivos de muestreo recuperan columnas de sedimento que conservan la estructura del hábitat microbiano. Cada capa puede contener comunidades diferentes según factores como la química del sedimento, la temperatura y la disponibilidad de gases.
De regreso a bordo del barco, las muestras se preservan cuidadosamente y se preparan para su transporte. Muchos microbios de estas filtraciones son sensibles al oxígeno o a los cambios de temperatura, por lo que el manejo debe hacerse rápidamente y bajo condiciones controladas. Cuando termina la expedición, las muestras viajan hacia el sur, hasta Finlandia, donde comienza la siguiente etapa de la investigación.
Leyendo el plano genético
En el laboratorio, se extrae material genético directamente de los sedimentos. En lugar de aislar un organismo a la vez, se secuencia el ADN de toda la comunidad microbiana al mismo tiempo. Esta técnica se conoce como metagenómica. La secuenciación metagenómica permite reconstruir los genomas de organismos que nunca han sido cultivados en el laboratorio. A partir de estos, podemos identificar genes implicados en diferentes rutas metabólicas, incluidas aquellas relacionadas con la producción de hidrógeno.
Un segundo método, llamado metatranscriptómica, analiza las moléculas de ARN que los microbios producen cuando sus genes están activos. El ARN revela qué procesos metabólicos están ocurriendo realmente en el ambiente en el momento del muestreo. Juntos, estos métodos permiten observar tanto el potencial como la actividad de las comunidades microbianas en los sedimentos de las filtraciones frías.
Este trabajo genera enormes cantidades de datos de secuenciación. Las herramientas de bioinformática ayudan a ensamblar genomas, identificar enzimas y predecir redes metabólicas. Los investigadores buscan en particular genes relacionados con el metabolismo del hidrógeno, como las enzimas llamadas hidrogenasas, que catalizan la formación de hidrógeno. Las versiones adaptadas al frío de estas enzimas son especialmente interesantes, ya que podrían funcionar de manera eficiente a temperaturas en las que muchas enzimas industriales pierden sus cualidades.
Del descubrimiento a la aplicación
Encontrar microbios productores de hidrógeno es solo el primer paso. El siguiente desafío es comprender cómo funcionan estos organismos y si sus sistemas biológicos pueden utilizarse en aplicaciones prácticas.
En el laboratorio se intenta cultivar algunos de estos microbios en el laboratorio bajo condiciones que imitan el ambiente de las filtraciones frías. Si se logra cultivarlos, los científicos pueden estudiar su metabolismo directamente y medir la producción de hidrógeno en condiciones controladas. Sin embargo, muchos microbios ambientales son difíciles de cultivar. Aquí es donde entran la biología molecular y la bioingeniería. Los genes identificados en microbios del Ártico pueden transferirse a organismos más fáciles de cultivar, como ciertas bacterias de laboratorio. Estos organismos actúan como plataformas biológicas donde los investigadores pueden probar si las nuevas enzimas funcionan fuera de su entorno original. Si el proceso funciona, estos microbios modificados podrían producir hidrógeno en condiciones más fáciles de manejar en entornos industriales.
El objetivo final no es reemplazar completamente los métodos actuales de producción de hidrógeno, sino ampliar las opciones disponibles. Los sistemas biológicos pueden ofrecer ventajas como el funcionamiento a bajas temperaturas, el uso de residuos orgánicos como materia prima o la integración en procesos de tratamiento de desechos.
Aprendiendo de la naturaleza
En este proyecto se combina la exploración científica con biología molecular moderna. Las expediciones al Ártico nos permiten acceder a ecosistemas únicos, donde la evolución ha moldeado la vida microbiana de formas sorprendentes. Las tecnologías de secuenciación permiten leer la información genética oculta en esos ambientes. La bioinformática y los experimentos de laboratorio transforman ese conocimiento en comprensión práctica.
La naturaleza lleva miles de millones de años experimentando con soluciones bioquímicas. Los microbios han desarrollado enzimas capaces de realizar reacciones complejas con gran eficiencia. Estamos apenas comenzando a comprender la diversidad de estos sistemas biológicos. Las filtraciones frías del océano Ártico podrían contener pistas sobre nuevas formas de producir hidrógeno de manera más limpia y sostenible.
Por ahora, el trabajo continúa en laboratorios y buques de investigación, donde núcleos de sedimento, secuencias de ADN y cultivos microbianos van revelando poco a poco las capacidades de los habitantes más pequeños de nuestro planeta.
Este proyecto forma parte de una nueva iniciativa de investigación financiada por el programa H2FUTURE de la Universidad de Oulu, en Finlandia, un programa que promueve el desarrollo de nuevas tecnologías relacionadas con el hidrógeno. El proyecto está a cargo del Dr. Juan Galarza, ecólogo molecular.
Núcleos de sedimento marino tomado como muestra para desarrollar la investigación.
Artículo escrito por:
Dr. Juan Galarza
Departamento de Ecología y Genética
Universidad de Oulu (Finlandia)
