La industria química, que depende en gran medida de recursos fósiles para producir plásticos, colorantes y sabores artificiales, consume más de un millón de toneladas de estos recursos diariamente, lo que contribuye a alrededor del 5% de las emisiones globales. Los investigadores, dirigidos por la profesora Julia Vorholt, están trabajando para reducir esta dependencia mediante el desarrollo de bacterias sintéticas capaces de convertir el “metanol verde” (creado a partir de CO2 y agua utilizando energía renovable) en productos químicos útiles, minimizando así potencialmente la huella de carbono de la industria. Crédito: Sean Kilian
La industria química depende principalmente de recursos fósiles como el petróleo crudo para producir una variedad de productos químicos, incluidos plásticos, colores y sabores sintéticos.
“A nivel mundial consumimos 500 millones de toneladas al año, o más de un millón de toneladas al día”, explica Julia Vorholt, profesora del Instituto de Microbiología de la ETH Zurich. “Como estas conversiones químicas consumen mucha energía, la verdadera cantidad de CO2 La huella de carbono de la industria química es incluso de seis a diez veces mayor y representa alrededor del cinco por ciento de las emisiones globales totales. Ella y su equipo están buscando formas de reducir la dependencia de la industria química de los combustibles fósiles.
Metanol verde
Las bacterias que se alimentan de metanol, llamadas metilotrofas, están en el centro de estos esfuerzos. Que contiene solo un carbono. átomo, el metanol es una de las moléculas orgánicas más simples y puede sintetizarse a partir del dióxido de carbono y el agua, gases de efecto invernadero. Si la energía necesaria 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”, explica Michael Reiter, investigador postdoctoral en el grupo de investigación de Vorholt, que trabaja con bacterias modelo biotecnológicamente bien entendidas. Escherichia coli. Desde hace varios años, el equipo de Vorholt persigue la idea de dotar a la bacteria modelo, que crece en el azúcar, de la capacidad de metabolizar el metanol.
Reestructuración completa del metabolismo.
“Este es un desafío importante porque requiere una reestructuración completa del metabolismo celular”, dice Vorholt. Primero, 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 podían absorber metanol, pero sólo en pequeñas cantidades”, afirma Reiter.
Continuaron cultivando las bacterias en condiciones especiales de laboratorio durante más de un año hasta que los microbios pudieron producir todos los componentes celulares a partir del 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. “Mejorar la tasa de crecimiento hace que las bacterias sean económicamente atractivas”, afirma Vorholt.
Optimización de pérdida de función
Como describe el equipo de Vorholt en su artículo publicado recientemente, varias mutaciones aleatorias son responsables de la mayor eficiencia del uso de metanol. La mayoría de estas mutaciones provocaron la pérdida de función de varios genes. Esto resulta sorprendente a primera vista, pero tras una inspección más cercana resulta evidente que las células pueden ahorrar energía mediante la pérdida de la función genética. Por ejemplo, ciertas mutaciones hacen que fallen las reacciones inversas de reacciones bioquímicas importantes. “Esto elimina conversiones químicas innecesarias y 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 de importancia industrial, Vorholt y su equipo equiparon a las bacterias con genes adicionales para cuatro vías biosintéticas diferentes. En su estudio, ahora muestran que las bacterias producen realmente los compuestos deseados en todos los casos.
Plataforma de producción versátil
Para los investigadores, esto demuestra claramente que sus bacterias modificadas pueden cumplir sus promesas iniciales: los microbios constituyen 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 genera bacterias. para convertir el metanol en los productos bioquímicos deseados.
Sin embargo, los investigadores todavía necesitan 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 sus planes a aplicaciones y seleccionar productos en los que centrarse primero”, afirma Vorholt.
Cuando Reiter explica 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 tecnología que no emite CO adicional2 en la atmósfera”, explica Reiter. Y debido a que los metilotrofos sintéticos, además del metanol verde, no requieren fuentes de carbono adicionales para su crecimiento y productos, hacen posible “producir productos químicos renovables que no dañan el medio ambiente”.
