Para producir diversos productos químicos, como plásticos, colorantes 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, el verdadero CO₂ La huella de la industria química es incluso de seis a diez veces mayor, y representa alrededor del cinco por ciento del total de emisiones a nivel mundial". 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, conocidas como metilotrofos, están en el centro de estos esfuerzos. El metanol, que contiene un solo átomo de carbono, es una de las moléculas orgánicas más simples y puede sintetizarse a partir del dióxido de carbono y el 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 conocida 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.

Reestructuración completa del metabolismo

"Este es un desafío importante porque requiere una reestructuración completa del metabolismo celular", dice 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 pudieron 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 alrededor de 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 en la tasa de crecimiento hace que las bacterias sean económicamente interesantes", afirma Vorholt.

Optimización mediante pérdida de función

Como describe el equipo de Vorholt en su Nature Catalysis En el artículo, varias mutaciones que ocurren aleatoriamente 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 resulta sorprendente a primera vista, pero tras un examen más detenido se ve 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 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 han equipado 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.

Plataforma de producción versátil

Para los investigadores, esto es una prueba clara de que las 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 según el principio "plug-and-play", lo que lleva a las bacterias para convertir el metanol en 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 recibieron recientemente un fondo de innovación "para ampliar aún más los planes hacia aplicaciones y seleccionar 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 CO₂ adicional a la atmósfera", afirma Reiter. Y como los metilotrofos sintéticos, además del metanol verde, no necesitan ninguna fuente adicional de carbono para su crecimiento y sus productos, permiten "la producción de sustancias químicas renovables que no suponen una carga para el medio ambiente".