Bacterias para los futuros productos químicos neutros para el clima
Posibilidad de producción biotecnológica de diversas sustancias químicas
Investigadores de la ETH de Zúrich han manipulado bacterias en el laboratorio para que utilicen eficazmente el metanol. El metabolismo de estas bacterias puede aprovecharse ahora para producir valiosos productos que la industria química fabrica actualmente a partir de combustibles fósiles.
Para producir diversos productos químicos como plásticos, tintes o aromas artificiales, la industria química depende actualmente en gran medida de recursos fósiles como el petróleo crudo. "A nivel mundial, consume 500 millones de toneladas al año, es decir, más de un millón de toneladas al día", afirma Julia Vorholt, profesora del Instituto de Microbiología de la ETH de Zúrich. "Dado que estas conversiones químicas consumen mucha energía, la verdadera huella deCO2 de la industria química es incluso entre seis y diez veces mayor, y supone alrededor del cinco por ciento de las emisiones totales a nivel mundial". Ella y su equipo buscan formas de reducir la dependencia de la industria química de los combustibles fósiles.
Metanol verde
Las bacterias que se alimentan de metanol, conocidas como metilótrofos, son el centro de estos esfuerzos. Con un solo átomo de carbono, el metanol es una de las moléculas orgánicas más sencillas y puede sintetizarse a partir del dióxido de carbono, gas de efecto invernadero, y agua. Si la energía para esta reacción de síntesis procede de fuentes renovables, el metanol se denomina "verde".
"Existen metilótrofos naturales, pero su uso industrial sigue siendo difícil a pesar de los considerables esfuerzos de investigación", explica Michael Reiter, investigador postdoctoral del grupo de investigación de Vorholt, que en cambio trabaja con la bacteria modelo Escherichia coli, bien conocida biotecnológicamente. El equipo de Vorholt lleva varios años persiguiendo la idea de dotar a la bacteria modelo, que crece con azúcar, de la capacidad de metabolizar metanol.
Reestructuración completa del metabolismo
"Se trata de un gran reto porque requiere una reestructuración completa del metabolismo de la célula", explica Vorholt. Inicialmente, los investigadores simularon este cambio utilizando modelos informáticos. Basándose en estas simulaciones, eligieron dos genes para eliminar y tres nuevos para introducir. "Como resultado, las bacterias podían absorber metanol, aunque sólo en pequeñas cantidades", explica Reiter.
Continuaron cultivando las bacterias en condiciones especiales en el laboratorio durante más de un año hasta que los microbios pudieron producir todos los componentes celulares a partir del metanol. En el transcurso de unas 1.000 generaciones más, estos metilótrofos sintéticos se hicieron cada vez más eficientes, llegando a duplicarse cada cuatro horas cuando se alimentaban únicamente con metanol. "La mejora de la tasa de crecimiento hace que las bacterias sean económicamente interesantes", afirma Vorholt.
Optimización por pérdida de función
Como describe el equipo de Vorholt en su artículo de reciente publicación externa, varias mutaciones producidas al azar son responsables de la mayor eficiencia en la utilización del metanol. La mayoría de estas mutaciones provocaron la pérdida de función de varios genes. Esto es sorprendente a primera vista, pero si se examina más de cerca, se hace evidente que las células pueden ahorrar energía gracias a la pérdida de función de los genes. Por ejemplo, algunas mutaciones hacen que fallen las reacciones inversas de importantes reacciones bioquímicas. "Esto suprime las conversiones químicas superfluas y optimiza el flujo metabólico en las células", escriben los investigadores.
Para explorar el potencial de los metilotrofos sintéticos para la producción biotecnológica de sustancias químicas a granel de interés industrial, Vorholt y su equipo han dotado a las bacterias de genes adicionales para cuatro vías biosintéticas diferentes. En su estudio, demuestran ahora que las bacterias produjeron efectivamente los compuestos deseados en todos los casos.
Plataforma de producción versátil
Para los investigadores, esto es una prueba clara de que sus bacterias modificadas pueden cumplir lo prometido en un principio: los microbios son una especie de plataforma de producción muy versátil en la que se pueden insertar módulos de biosíntesis según el principio "plug-and-play", lo que hace que las bacterias conviertan el metanol en las sustancias bioquímicas deseadas.
Sin embargo, los investigadores aún necesitan aumentar significativamente el rendimiento y la productividad para permitir un uso económicamente viable de las bacterias. Vorholt y su equipo han recibido recientemente un fondo de innovación "para seguir ampliando los planes hacia las aplicaciones y seleccionar los productos en los que centrarnos primero", afirma Vorholt.
Cuando Reiter habla de cómo puede optimizarse el cultivo de bacterias en biorreactores, se llena de entusiasmo. "Dados los retos del cambio climático, está claro que se necesitan alternativas a los recursos fósiles", afirma. "Estamos desarrollando una tecnología que no emiteCO2 adicional a la atmósfera", afirma Reiter. Y como los metilótrofos sintéticos, además de metanol verde, no necesitan fuentes de carbono adicionales para su crecimiento y sus productos, permiten "producir sustancias químicas renovables que no suponen una carga para el medio ambiente."
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