Los grandes desafíos globales de nuestro tiempo, incluido el cambio climático, seguridad energética y escasez de recursos naturales, promover una transición de la economía lineal basada en los fósiles a la economía circular sostenible de base biológica. Dar este paso requiere un mayor desarrollo de tecnologías emergentes para la producción de combustibles y productos químicos renovables.

Microorganismos fotosintéticos, como cianobacterias y algas, muestran un gran potencial para satisfacer nuestra demanda de productos químicos renovables y reducir la dependencia global de los combustibles fósiles. Estos microorganismos tienen la capacidad de utilizar energía solar para convertir CO ₂ en biomasa y una variedad de diferentes compuestos orgánicos ricos en energía. Las cianobacterias también son capaces de mantener nuevas vías de producción sintética que les permiten funcionar como fábricas de células vivas para la producción de productos químicos y combustibles específicos.

El etileno es uno de los productos químicos orgánicos más importantes con una demanda mundial anual de más de 150 millones de toneladas. Es el componente principal en la producción de plásticos, fibras y otros materiales orgánicos.

"En nuestra investigación, empleamos la cianobacteria Synechocystis sp. PCC 6803 que expresa la enzima formadora de etileno (EFE) adquirida del patógeno vegetal, Pseudomonas syringae. La presencia de EFE en las células cianobacterianas les permite producir etileno utilizando energía solar y CO ₂ desde el aire, ", dice la profesora asociada Allahverdiyeva-Rinne.

El etileno tiene una alta densidad energética que lo convierte en una fuente de combustible atractiva. En la actualidad, El etileno se produce a través del craqueo al vapor de materias primas de hidrocarburos fósiles, lo que genera una enorme emisión de CO. ₂ en el medio ambiente. Por lo tanto, es importante desarrollar enfoques ecológicos para sintetizar etileno.

"Aunque se han informado resultados muy prometedores sobre cianobacterias recombinantes productoras de etileno, la eficiencia global de los sistemas de fotoproducción disponibles es todavía muy baja para aplicaciones industriales. La productividad del etileno de las cianobacterias diseñadas es la variable más crítica para reducir los costos y mejorar la eficiencia. ", dice el investigador postdoctoral Sindhujaa Vajravel.

Sin embargo, las cianobacterias tienen varias limitaciones para una producción eficiente, ya que acumulan principalmente biomasa, no los productos deseados.

"Poseen una antena de captación de luz fotosintética gigante que conduce a un sombreado propio y una distribución de luz limitada en cultivos en suspensión, lo que disminuye la productividad. La mayor limitación es que el período de producción de las células es corto, solo unos cuantos dias, "explica Allahverdiyeva-Rinne.

Para resolver estos dos problemas, Los investigadores atraparon células cianobacterianas productoras de etileno dentro de una matriz de polímero de alginato de capa fina. Este enfoque limita fuertemente el crecimiento celular, comprometiendo así un flujo eficiente de metabolitos fotosintéticos para la biosíntesis de etileno. También mejora la utilización de la luz en condiciones de poca luz y promueve fuertemente la aptitud celular. Como resultado, las biopelículas artificiales lograron una fotoproducción sostenible de etileno durante hasta 40 días con una eficiencia de conversión de luz a etileno que es 3,5 veces mayor que en los cultivos en suspensión convencionales.

Estos hallazgos abren nuevas posibilidades para un mayor desarrollo de fábricas eficientes de células fotosintéticas de estado sólido para la producción de etileno y la ampliación del proceso a nivel industrial.