Bucles para microorganismos
Los investigadores desarrollan un método para cultivar comunidades microbianas de forma permanentemente estable
Las capacidades de las comunidades microbianas complejas se utilizan para numerosos procesos biotecnológicos. Para ello se requieren composiciones especiales de las comunidades microbianas. Sin embargo, éstas suelen ser inestables y susceptibles de ser alteradas. Los investigadores del UFZ han desarrollado ahora un "método de transferencia de masa con bucle" que puede estabilizar las comunidades microbianas a largo plazo. Su estudio se ha publicado recientemente en PNAS.
Sistema de reactor de bucle: Los cinco reactores con comunidades microbianas fueron operados de la misma manera. El sexto reactor estaba conectado a los cinco reactores. Sincronizaba las comunidades microbianas y retroalimentaba los reactores con bacterias de crecimiento lento.
© Zishu Liu / UFZ
En el agua, en la tierra y en el aire: los microorganismos están prácticamente en todas partes y son esenciales para todos los ciclos biogeoquímicos del planeta. Son los maestros de la degradación y la transformación en el agua, el suelo e incluso en nuestros intestinos. Tanto en las plantas de tratamiento de aguas residuales como en los procesos biotecnológicos industriales (por ejemplo, para la producción de alimentos, biogás o bioplásticos), aprovechamos la productividad de las complejas comunidades microbianas. Las condiciones adecuadas garantizan que los microorganismos puedan llevar a cabo sus respectivas funciones. Sin embargo, los procesos estables también requieren una composición estable de la comunidad microbiana. "Y ése es precisamente el reto", afirma la profesora Susann Müller, que dirige el grupo de trabajo de citometría de flujo en el Departamento de Microbiología Ambiental de la UFZ. "El problema con las comunidades microbianas es que pueden desarrollarse repentinamente en direcciones completamente diferentes, incluso bajo las mismas condiciones".
Un pequeño acontecimiento aleatorio puede dar lugar a una comunidad microbiana completamente diferente. Y esto puede ocurrir con bastante rapidez cuando los microorganismos crecen exponencialmente. Además, en los biorreactores hay un flujo o transferencia de masa constante, que puede ser desastroso para algunos microorganismos. "En las comunidades microbianas, también hay microorganismos que están presentes sólo en números comparativamente pequeños y que se multiplican lentamente", dice Müller. "Por ejemplo, los microorganismos formadores de metano utilizados en la producción de biogás son indispensables para los procesos deseados. Tienen tasas de crecimiento más lentas y sólo entran en juego en etapas posteriores. Si los microorganismos cruciales se pierden inadvertidamente del sistema, todo acaba por paralizarse". Para evitarlo, el equipo de investigación de la UFZ ha propuesto un nuevo método denominado "transferencia de masa con un bucle" en un estudio publicado recientemente en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Una especie de bucle se incorpora al sistema del biorreactor para estabilizar la comunidad microbiana y evitar que los grupos microbianos se pierdan por completo del sistema. ¿Pero cómo funciona? ¿Y cómo lo hicieron los científicos?
Primero crearon cinco biorreactores, cada uno con comunidades microbianas idénticas. A continuación, investigaron si la composición de estas comunidades cambiaba con el tiempo y en qué medida. Para ello, utilizaron citometría de flujo de alto rendimiento para examinar rápidamente células individuales y caracterizarlas en detalle. Se pueden determinar varios parámetros de las bacterias, como el tamaño de las células, la densidad celular y el contenido de ADN. Así, una muestra con 200.000 células bacterianas puede visualizarse con la misma precisión que una huella dactilar -algo así como un código QR- en tan sólo unos minutos. Mediante métodos informáticos especiales, el equipo de investigación analizó las enormes cantidades de datos generados y pudo así detectar cambios en la composición microbiana. "Como se sospechaba, las comunidades microbianas de los cinco biorreactores evolucionaron de forma muy diferente a pesar de las mismas condiciones", afirma Müller. A continuación, los investigadores introdujeron un bucle en el sistema. Este sexto biorreactor se conectó a cada uno de los cinco reactores a través de la entrada y la salida. De este modo, se producía un intercambio o transferencia de masa constante entre los biorreactores. "Nuestras investigaciones demostraron que las comunidades microbianas de los biorreactores estaban sincronizadas entre sí por el bucle y que su composición y funciones estaban permanentemente estabilizadas", dice Müller. "Además, la probabilidad de supervivencia de los microorganismos con una baja tasa de crecimiento aumentó considerablemente. Este efecto de rescate puede ser crucial para muchos procesos biotecnológicos".
Los efectos de las transferencias de masa no son nuevos; se conocen, entre otras cosas, por las plantas de tratamiento de aguas residuales en las que parte de los lodos de sedimentación de la tercera etapa de tratamiento se transfieren de nuevo a la segunda etapa de tratamiento. "El principio era bastante obvio", dice Müller. "Pero, hasta ahora, nadie lo había investigado en profundidad. En nuestro estudio, diseñamos un sistema de reactor completamente nuevo y combinamos una amplia gama de disciplinas como la microbiología, la ecología, la biotecnología, el análisis de células individuales, la ciencia de los datos y la modelización. Así, pudimos demostrar por primera vez que el principio de transferencia de masa con un bucle puede estabilizar las comunidades microbianas a largo plazo. Esperamos que con nuestro estudio podamos aportar estímulos para su aplicación práctica".
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