La asimilación sintética del carbono supera a la naturaleza
Una nueva vía natural supera a la natural en bacterias vivas
Por primera vez, una colaboración internacional ha demostrado que la asimilación sintética del carbono puede funcionar de forma más eficiente en un sistema vivo que su homólogo natural. Los investigadores del laboratorio de Tobias Erb, del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre, diseñaron una ruta metabólica sintética en una bacteria y demostraron en una comparación directa que puede generar mucha más biomasa a partir del compuesto monocarbónico ácido fórmico y CO₂ que la cepa bacteriana natural.
El Dr. Beau Dronsella, investigador Max Planck en el MPI de Microbiología Terrestre de Marburgo, con un biorreactor experimental.
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie/Geisel
En la naturaleza, el CO₂ se fija principalmente a través del ciclo de Calvin, que forma parte de la fotosíntesis. Sin embargo, esta vía natural de fijación tiene limitaciones de eficiencia. Tobias Erb y su equipo han desarrollado ciclos artificiales como los ciclos CETCH y THETA, que superan en eficiencia al ciclo natural de Calvin. Estas vías ya han tenido éxito en tubos de ensayo, pero sólo se han integrado parcialmente en organismos vivos.
Otro enfoque de la fijación del CO₂ que se está investigando activamente consiste en métodos físico-químicos, como la reducción electroquímica del CO₂ en ácido fórmico utilizando energía renovable. Sin embargo, estos métodos tienen dificultades para transformar el ácido fórmico en moléculas complejas como azúcares o proteínas. Por otro lado, algunas bacterias pueden crecer en ácido fórmico y fabricar diversos productos. Por ello, los investigadores están desarrollando técnicas híbridas que primero fijan el CO₂ físico-químicamente en ácido fórmico y luego lo procesan microbiológicamente.
Soluciones híbridas sostenibles
Dado que muchas bacterias convierten de forma natural el ácido fórmico a través del ciclo de Calvin, podrían utilizarse alternativas sintéticas como el CETCH para que la parte microbiana del proceso híbrido fuera más productiva y generara las materias primas deseadas de forma más sostenible. Pero, en comparación directa, ¿son estas vías sintéticas de procesamiento del carbono diseñadas por el hombre realmente más eficientes que las naturales?
Para responder a esta pregunta, el equipo de investigación probó la "vía reductora de la glicina", ya que es la ruta metabólica sintética más eficiente para procesar el ácido fórmico. Para demostrar que podía superar energéticamente a la fijación natural del carbono mediante el ciclo de Calvin, seleccionaron la bacteria no fototrófica Cupriavidus necator, que utiliza de forma natural el ciclo de Calvin para metabolizar el ácido fórmico. En 2020, uno de los colaboradores del equipo, el Dr. Nico Claassens, de la Universidad de Wageningen, ya había introducido con éxito la vía reductora de la glicina en este organismo. Sin embargo, las tasas de crecimiento y el rendimiento de biomasa resultantes -indicadores clave de la eficiencia metabólica- eran inferiores a los de la bacteria no modificada.
Optimización mediante evolución en laboratorio
En el nuevo estudio, los investigadores trasplantaron toda la vía reductora de la glicina al genoma de la bacteria, esta vez optimizando su eficiencia. Utilizaron elementos móviles de ADN capaces de integrarse aleatoriamente en el genoma y los cargaron con componentes de la vía reductora de la glicina. Al optimizar las modificaciones genómicas mediante evolución en laboratorio para el crecimiento en ácido fórmico, mejoraron la eficacia de la vía. "Las células en las que se integraron y expresaron favorablemente los genes de la vía reductora de la glicina crecieron mejor que otras y se enriquecieron selectivamente hasta que su producción se acercó al óptimo fisiológico", explica el Dr. Beau Dronsella, primer autor del estudio, publicado en Nature Microbiology.
La cepa modificada y optimizada artificialmente fue capaz de producir mucha más biomasa a partir de ácido fórmico y CO₂ que la cepa bacteriana natural. Los investigadores llegaron incluso a medir rendimientos de biomasa superiores a los de cualquier producción de biomasa a partir de ácido fórmico registrada anteriormente por organismos que utilizaran el ciclo de Calvin o vías sintéticas. Sin embargo, la cepa modificada artificialmente sólo era la mitad de rápida que la natural.
Los investigadores se muestran optimistas ante la posibilidad de que la evolución adaptativa en laboratorio reduzca aún más esta brecha. La prueba de que la biología sintética puede utilizarse de forma más eficiente en un entorno biotecnológico para fijar carbono no sólo es relevante para la vía reductora de la glicina, sino para muchas rutas metabólicas artificiales que se están desarrollando. "Nuestros hallazgos encierran un gran potencial para la bioproducción sostenible a partir del ácido fórmico y también podrían mejorar los procesos de bioproducción existentes", afirma Beau Dronsella. "En última instancia, el ácido fórmico -similar al hidrógeno- podría servir como portador de energía química, lo que permitiría almacenar los excedentes de energía renovable y utilizarlos para la bioproducción en el futuro". Para Tobias Erb, este estudio marca un hito importante en el campo emergente de la biología sintética: "Es fascinante que, con la biología sintética, podamos diseñar en pocos años nuevas soluciones que superen lo que ha evolucionado en la naturaleza durante miles de millones de años."
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