Sporosarcina pasteurii

Sporosarcina pasteurii, anteriormente conocida como Bacillus pasteurii en taxonomías más antiguas, es una bacteria grampositivacon la capacidad de precipitar calcita y solidificar arena a partir de unafuente de calcio y urea ; mediante el proceso de precipitación de calcita inducida microbiológicamente (MICP) o cementación biológica . ^{[ 2 ]} Se ha propuesto el uso de S. pasteurii como material de construcción biológico ecológicamente sostenible. Los investigadores estudiaron la bacteria junto con plástico y minerales duros, formando un material más resistente que el hueso. ^{[ 3 ]} Se utiliza comúnmente para MICP, ya que no es patógena y es capaz de producir grandes cantidades de la enzima ureasa , que hidroliza la urea en carbonato y amoníaco . ^{[ 4 ]}

S. pasteurii es una bacteria grampositiva con forma de bastón. Posee la capacidad de formar endosporas en las condiciones ambientales adecuadas para mejorar su supervivencia, característica propia de su clase de bacilos . ^{[ 5 ]} Sus dimensiones oscilan entre 0,5 y 1,2 micras de ancho y entre 1,3 y 4,0 micras de largo. Debido a su naturaleza alcalófila , se desarrolla mejor en ambientes básicos con un pH de 9 a 10. Puede sobrevivir en condiciones relativamente adversas hasta un pH de 11,2. ^{[ 4 ]}

S. pasteurii son anaerobios facultativos del suelo que son heterótrofos y requieren urea y amonio para su crecimiento. ^{[ 6 ]} El amonio se utiliza para permitir que los sustratos atraviesen la membrana celular hacia el interior de la célula. ^{[ 6 ]} La urea se utiliza como fuente de nitrógeno y carbono para la bacteria. S. pasteurii es capaz de inducir la hidrólisis de la urea y usarla como fuente de energía mediante la producción y secreción de la enzima ureasa . La enzima hidroliza la urea para formar carbonato y amoníaco. Durante esta hidrólisis, se realizan algunas reacciones espontáneas adicionales. El carbamato se hidroliza a ácido carbónico y amoníaco, y luego se hidroliza aún más a amonio y bicarbonato . ^{[ 4 ]} Este proceso hace que el pH de la reacción aumente 1–2 unidades de pH, haciendo que el ambiente sea más básico, lo que promueve las condiciones en las que esta bacteria específica prospera. ^{[ 7 ]} Mantener un medio con este pH puede ser costoso para la producción a gran escala de esta bacteria para biocementación. Una amplia gama de factores puede afectar la tasa de crecimiento de S. pasteurii. Esto incluye encontrar la temperatura óptima, pH, concentración de urea, densidad bacteriana, niveles de oxígeno, etc. ^{[ 7 ]} Se ha encontrado que la temperatura óptima de crecimiento es de 30  °C, pero esto es independiente de los demás factores ambientales presentes. ^{[ 5 ]} Dado que S. pasteurii es halotolerante , puede crecer en presencia de bajas concentraciones de iones cloruro acuosos que son lo suficientemente bajas como para no inhibir el crecimiento de las células bacterianas. ^{[ 7 ]} Esto muestra aplicaciones prometedoras para el uso de MICP .

Se describe que S. pasteurii DSM 33 es auxótrofo para L-metionina , L-cisteína , tiamina y ácido nicotínico . ^{[ 8 ]}

El genoma completo de S. pasteurii NCTC4822 fue secuenciado y reportado bajo el número de acceso NCBI: NZ_UGYZ01000000 . Con una longitud cromosómica de 3,3 Mb, contiene 3036 genes codificadores de proteínas y tiene un contenido de GC del 39,17 %. ^{[ 9 ]} Cuando se calcula la proporción de genes funcionales conocidos con respecto a los genes desconocidos, la bacteria muestra las proporciones más altas para transporte, metabolismo y transcripción. La alta proporción de estas funciones permite la conversión de urea en iones carbonato, lo cual es necesario para el proceso de biomineralización . ^{[ 9 ]} La bacteria tiene siete genes identificados que están directamente relacionados con la actividad y el ensamblaje de la ureasa, los cuales pueden estudiarse más a fondo para comprender cómo maximizar la producción de ureasa y optimizar el uso de S. pasteurii en aplicaciones industriales. ^{[ 9 ]}

S. pasteurii tiene la capacidad única de hidrolizar la urea y, a través de una serie de reacciones, producir iones carbonato. Esto se logra secretando grandes cantidades de ureasa a través de la membrana celular . ^{[ 5 ]} Cuando la bacteria se coloca en un ambiente rico en calcita, los iones carbonato con carga negativa reaccionan con los iones metálicos positivos como el calcio para precipitar carbonato de calcio o biocemento. ^{[ 4 ]} El carbonato de calcio puede usarse como precipitado o puede cristalizarse como calcita para cementar partículas de arena. Por lo tanto, cuando se coloca en un ambiente de cloruro de calcio, S. pasteurii puede sobrevivir ya que es halotolerante y alcalófilo. Dado que las bacterias permanecen intactas durante condiciones de mineralización severas , son robustas y tienen una carga superficial negativa , sirven como buenos sitios de nucleación para MICP . ^{[ 9 ]} La pared celular con carga negativa de la bacteria proporciona un sitio de interacción para que los cationes con carga positiva formen minerales . El alcance de esta interacción depende de una variedad de factores que incluyen las características de la superficie celular, la cantidad de peptidoglicano , el nivel de amidación del carboxilo libre y la disponibilidad de ácidos teicoicos . ^{[ 7 ]} S. pasteurii muestra una carga superficial altamente negativa que puede mostrarse en su potencial zeta altamente negativo de −67 mV en comparación con las bacterias no mineralizantes E. coli , S. aureus y B. subtilis a −28, −26 y −40,8 mV, respectivamente. ^{[ 9 ]} Aparte de todos estos beneficios para el uso de S. pasteurii para MICP, existen limitaciones como la ampliación de escala de ingeniería no desarrollada, subproductos no deseados, crecimiento no controlado o dependencia de condiciones de crecimiento como concentraciones de urea u oxígeno. ^{[ 9 ]}

S. pasteurii tiene la función de mejorar materiales de construcción como el hormigón o el mortero. El hormigón es uno de los materiales más utilizados en el mundo, pero es susceptible a la formación de grietas, cuya reparación puede resultar costosa. Una solución consiste en incrustar esta bacteria en las grietas y, una vez activada mediante MICP, se formarán minerales que repararán la fisura de forma permanente y respetuosa con el medio ambiente. Una desventaja es que esta técnica solo es posible en superficies externas accesibles. ^{[ 7 ]}

Otra aplicación consiste en utilizar S. pasteurii en la autorreparación biológica del hormigón, lo que implica incorporar la bacteria a la matriz del hormigón durante su preparación para reparar microfisuras. Esto ofrece la ventaja de una mínima intervención humana y produce un hormigón más duradero con mayor resistencia a la compresión . ^{[ 7 ]}

Una limitación del uso de esta bacteria para la biomineralización es que, aunque es un anaerobio facultativo , en ausencia de oxígeno, la bacteria no puede sintetizar ureasa anaeróbicamente . La falta de oxígeno también impide la MICP, ya que su inicio depende en gran medida del oxígeno. Por lo tanto, en sitios alejados del lugar de inyección o a grandes profundidades, la probabilidad de precipitación disminuye. ^{[ 9 ]} Una posible solución es acoplar esta bacteria en el biocemento con compuestos liberadores de oxígeno (ORC) que se utilizan habitualmente para la biorremediación y la eliminación de contaminantes del suelo. ^{[ 7 ]} Con esta combinación, se puede disminuir la falta de oxígeno y optimizar la MICP con la bacteria.

Algunos ejemplos específicos de aplicaciones actuales incluyen:

• El estudiante de arquitectura Magnus Larsson ganó el primer premio del Holcim Award 2008 "Next Generation" para la región de África y Oriente Medio por su proyecto "Arquitectura anti- desertificación de dunas , Sokoto, Nigeria" y su diseño de un muro habitable. ^{[ 10 ]} Larsson también presentó la propuesta en TED . ^{[ 11 ]}
• La singular empresa emergente de biotecnología de Ginger Krieg Dosier , bioMason, con sede en Raleigh, Carolina del Norte, ha desarrollado un método para cultivar ladrillos a partir de Sporosarcina pasteurii y materiales naturales abundantes. En 2013, esta empresa ganó el Cradle to Cradle Innovation Challenge (que incluía un premio de 125 000 dólares) y el Dutch Postcode Lottery Green Challenge (que incluía un premio de 500 000 euros). ^{[ 12 ]}

Otras posibles aplicaciones incluyen:

• Utilizar bacterias para solidificar suelos licuables en zonas propensas a terremotos .
• Formar bioladrillos
• Estabilizar marismas y pantanos
• Reducir la tasa de asentamiento de edificios ^{[ 6 ]}
• Eliminar metales pesados ​​de las aguas residuales ^{[ 13 ]}
• utilizado como barrera para el control de malezas en la agricultura, como alternativa a los herbicidas ^{[ 14 ]}

Las consideraciones para el uso de esta bacteria en aplicaciones industriales son el potencial de escalado, la viabilidad económica, la viabilidad a largo plazo de las bacterias, el comportamiento de adhesión al carbonato de calcio y el polimorfismo . ^{[ 7 ]}

• Las bacterias podrían ser la clave para construir la primera ciudad en la Luna: Artículo de Lydia Amazouz

• Gran Muralla Verde (África)

• Magnus Larsson: Transformando dunas en arquitectura – La charla de Larsson en TED.
• "Cepa tipo de Sporosarcina pasteurii en Bac Dive – la metadatabase de diversidad bacteriana" . Archivado del original el 17 de junio de 2024. Recuperado el 15 de septiembre de 2016 .