Uso sostenible del CO2 usando una bacteria modificada

13.03.2020 - Alemania

Un equipo de científicos del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de las Plantas de Potsdam-Golm, dirigido por el Dr. Arren Bar-Even, ha logrado reprogramar la dieta de la bacteria E. coli de manera que pueda utilizar el ácido fórmico o el metanol como única fuente de nutrición. Estos simples compuestos orgánicos pueden ser producidos eficientemente a partir de dióxido de carbono (_CO2) por medio de procesos químicos, de manera que este gas de efecto invernadero pueda ser utilizado sensatamente en el futuro y su contribución al cambio climático pueda ser reducida.

Nuevos caminos para el uso bio-económico del_CO2

Aunque el dióxido de carbono (_CO2) representa sólo el 0,04% del aire, es uno de los gases de efecto invernadero que son responsables del calentamiento global y del cambio climático. Una forma de combatir el cambio climático es eliminar el_CO2 de la atmósfera, por ejemplo, mediante la absorción por las plantas, las algas o los microorganismos que producen biomasa a través de la fotosíntesis. Otra forma es capturar y utilizar el_CO2 producido por la combustión u otros procesos de producción industrial, es decir, reciclarlo antes de que sea liberado en el aire. En principio, el_CO2 tiene el potencial de sustituir a los combustibles fósiles como fuente de producción de productos químicos basados en el carbono, incluidos los combustibles. El objetivo de la estrategia de bioeconomía recientemente adoptada por el gobierno alemán es hacer un mayor uso de los recursos biológicos y utilizar los conocimientos e innovaciones biológicos para satisfacer nuestras necesidades de materias primas, productos y servicios. Esta estrategia también incluye la posibilidad de reciclar productos de desecho como el_CO2 para establecer una economía de reciclaje sostenible. Una forma de reciclar el_CO2 es activarlo químicamente en compuestos simples que luego son alimentados a los microorganismos, los cuales los convierten en compuestos de alta calidad que podrían entonces reemplazar a los combustibles fósiles.

Los investigadores dirigidos por Arren Bar-Even del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de las Plantas han seguido este enfoque innovador. Su idea era introducir una nueva vía metabólica en la bacteria Escherichia coli de manera que pueda alimentarse exclusivamente de compuestos de un solo carbono como el ácido fórmico (formiato) o el metanol en lugar de los azúcares habituales. Ambos compuestos pueden ser producidos de manera eficiente y barata a partir del_CO2. Dado que la E. coli está muy bien investigada y es fácil de cultivar, ya se utiliza para procesos de producción industrial, por ejemplo para la producción de insulina o aminoácidos. Si es posible cultivar la E. coli usando ácido fórmico o metanol, podría crearse un ciclo que convierta el_CO2 - a través del ácido fórmico y el metanol - en productos valiosos usando microorganismos modificados. Los investigadores han publicado recientemente sus resultados en la revista científica "nature chemical biology".

De gas de efecto invernadero a materia prima industrial

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El desarrollo de una nueva vía metabólica

Para que la E. coli convirtiera el formiato en biomasa, fueron necesarios algunos cambios importantes. En primer lugar, se diseñó una vía de síntesis completamente nueva para la glicina y la serina, que asegura la producción de estos aminoácidos a partir del formiato. Además, los genes necesarios para la nueva vía tenían que ser insertados en el genoma de la bacteria. Los científicos dividieron los genes necesarios en cuatro módulos.

El primer módulo consiste en tres genes de otra bacteria Methylobacterium extorquens que incorporan el formiato en la maquinaria celular. El segundo módulo involucra tres genes que se encuentran naturalmente en E. coli, cuya expresión se incrementó muchas veces. La integración de estos dos módulos condujo a una cepa de E. coli que convierte el formiato en glicina y serina. El tercer módulo consistía de nuevo en dos genes de alta expresión que se encuentran de forma natural en E. coli, de modo que el producto final de la nueva vía de síntesis, el piruvato, fue sintetizado. Este compuesto es un importante material de partida para muchas otras vías metabólicas centrales, que en última instancia conducen a la producción de biomasa. Por último, se introdujo un gen de la bacteria Pseudomonas sp. para proporcionar la energía necesaria para el crecimiento celular (módulo 4).

Mejora del crecimiento a través de la evolución en el laboratorio

Para aumentar aún más la tasa de crecimiento, los investigadores cultivaron la bacteria, que estaba equipada con todos los módulos, en tubos de ensayo. Una vez que la densidad celular superó un valor umbral, que se produjo cada 3-6 días, diluyeron la bacteria en un nuevo cultivo e iniciaron un nuevo ciclo de crecimiento. De esta manera, seleccionaron las bacterias cuyo crecimiento había aumentado gradualmente durante 13 ciclos. Esto podía atribuirse a dos mutaciones únicas que habían surgido en el genoma de E. coli durante esta "evolución adaptativa de laboratorio" y que causaron el aumento de la tasa de crecimiento.

En un estudio similar llevado a cabo por el Instituto Weizman de Israel en noviembre de 2019, que se publicó en la revista científica "CELL" y en el que participó Arren Bar-Even como colaborador, se demostró que una bacteria E. coli genéticamente modificada crecía utilizando formiato y_CO2. En comparación con el estudio publicado en "CELL", la tasa de crecimiento de la E. coli descrita es el doble. Esta bacteria puede incluso convertir el metanol en formiato con la ayuda de otra enzima, la llamada metanol deshidrogenasa, que a su vez se convierte en biomasa como se ha descrito anteriormente.

En su impresionante trabajo, los investigadores han demostrado que las bacterias pueden ser reprogramadas para utilizar nuevas fuentes de alimentos a través de la modificación genética. Esto proporciona la base para equipar a otros organismos con nuevas vías metabólicas en el futuro para su uso industrial. Los investigadores esperan que la ingeniería ulterior de las bacterias que consumen metanol o formiato les permita pronto producir productos químicos de valor añadido.

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