Las bacterias pueden reemplazar los combustibles fósiles para producir sustancias químicas valiosas

Los investigadores diseñaron bacterias en el laboratorio para utilizar eficientemente el metanol.

El metabolismo de estas bacterias ahora se puede aprovechar para producir productos valiosos que actualmente fabrica la industria química a partir de combustibles fósiles.

Para producir diversos productos químicos, como plásticos, tintes o aromas artificiales, la industria química actualmente depende en gran medida de recursos fósiles como el petróleo crudo.

«A nivel mundial, se consumen 500 millones de toneladas al año, o más de un millón de toneladas al día», afirma Julia Vorholt, profesora del Instituto de Microbiología de la ETH Zurich. «Dado que estas conversiones químicas consumen mucha energía, la verdadera huella de CO2 de la industria química es incluso de seis a diez veces mayor y representa alrededor del 5% de las emisiones totales a nivel mundial».

Ella y su equipo están buscando formas de reducir la dependencia de la industria química de los combustibles fósiles.

Las bacterias que comen metanol, conocidas como metilotrofos, están en el centro de estos esfuerzos. El metanol, que contiene solo un átomo de carbono, es una de las moléculas orgánicas más simples y puede sintetizarse a partir del dióxido de carbono y agua, un gas de efecto invernadero. Si la energía para esta reacción de síntesis proviene de fuentes renovables, el metanol se denomina «verde».

«Existen metilotrofos naturales, pero su uso industrial sigue siendo difícil a pesar de los considerables esfuerzos de investigación», afirma Michael Reiter, investigador postdoctoral en el grupo de investigación de Vorholt, que trabaja con la bacteria modelo biotecnológicamente bien entendida. Escherichia coli. El equipo de Vorholt lleva varios años persiguiendo la idea de dotar a la bacteria modelo, que crece en el azúcar, de la capacidad de metabolizar el metanol.

«Esto supone un gran desafío porque requiere una reestructuración completa del metabolismo celular», afirma Vorholt. Inicialmente, los investigadores simularon este cambio utilizando modelos informáticos. Basándose en estas simulaciones, eligieron dos genes para eliminar y tres genes nuevos para introducir.

«De este modo, las bacterias pueden absorber metanol, aunque sólo en pequeñas cantidades», afirma 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 de metanol. En el transcurso de aproximadamente 1.000 generaciones más, estos metilotrofos sintéticos se volvieron 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.

Como describe el equipo de Vorholt en su artículo publicado recientemente, varias mutaciones que ocurren al azar son responsables de aumentar la eficiencia de la utilización del metanol. La mayoría de estas mutaciones provocaron la pérdida de función de varios genes. Esto sorprende a primera vista, pero tras una inspección más cercana, parece que las células pueden ahorrar energía gracias a la pérdida de la función genética. Por ejemplo, algunas mutaciones hacen que fallen las reacciones inversas de reacciones bioquímicas importantes.

«De este modo se eliminan las conversiones químicas superfluas y se optimiza el flujo metabólico en las células», escriben los investigadores.

Para explorar el potencial de los metilotrofos sintéticos para la producción biotecnológica de productos químicos a granel industrialmente relevantes, Vorholt y su equipo equiparon a las bacterias con genes adicionales para cuatro vías biosintéticas diferentes. En su estudio, ahora muestran que las bacterias produjeron los compuestos deseados en todos los casos.

Para los investigadores, esto es una prueba clara de que sus bacterias diseñadas pueden cumplir lo que se prometió originalmente: los microbios son una especie de plataforma de producción altamente versátil en la que se pueden insertar módulos de biosíntesis en principio «plug-and-play», lo que hace que las bacterias convertir el metanol en sustancias bioquímicas deseadas.

Sin embargo, los investigadores aún tienen que aumentar significativamente el rendimiento y la productividad para permitir un uso económicamente viable de la bacteria. Vorholt y su equipo recibieron recientemente un fondo de innovación «para ampliar aún más los planes hacia aplicaciones y elegir productos en los que centrarse primero», dice Vorholt.

Cuando Reiter habla de cómo optimizar el cultivo de bacterias en biorreactores, se entusiasma.

«Dados los desafíos del cambio climático, está claro que se necesitan alternativas a los recursos fósiles», afirma.

«Estamos desarrollando una tecnología que no emite más CO2 a la atmósfera», afirma Reiter. Y dado que los metilotrofos sintéticos, aparte del metanol verde, no requieren ninguna fuente de carbono adicional para su crecimiento y sus productos, permiten «productos químicos renovables que no contaminan el medio ambiente».

La investigación aparece en La catálisis de la naturaleza.

Fuente: Ori Shipper para ETH Zurich