Micrografía de luz de células de la bacteria gramnegativa Methylorubrum extor-quens AM1. Crédito:Fraunhofer-Gesellschaft
El dióxido de carbono es uno de los principales impulsores del cambio climático, lo que significa que debemos reducir el CO 2 emisiones en el futuro. Los investigadores de Fraunhofer están destacando una posible forma de reducir estas emisiones:utilizan el gas de efecto invernadero como materia prima, por ejemplo para producir plásticos. Para hacer esto, primero producen metanol y ácido fórmico a partir de CO 2 , que convierten a través de microorganismos en bloques de construcción para polímeros y similares.
A medida que se queman las materias primas de origen fósil, CO 2 se lanza al aire. Hasta aquí, El co 2 La concentración en la atmósfera terrestre ya ha aumentado a alrededor de 400 partes por millón (ppm) equivalente al 0,04 por ciento. En comparación:hasta mediados del siglo XIX, este valor estaba todavía en el rango de 280 ppm. El aumento del nivel de dióxido de carbono tiene un impacto significativo en el clima. Desde el 1 de enero 2021, CO 2 Por lo tanto, las emisiones de la combustión de combustibles fósiles han estado sujetas a la fijación de precios del carbono, lo que significa que las empresas de fabricación tienen que pagar por su CO2. 2 emisiones. Como resultado, un gran número de empresas buscan nuevas soluciones. ¿Cómo pueden los costos asociados con el CO 2 reducir el precio de las emisiones? ¿Cómo puede el CO 2 reducir las emisiones mediante procesos biointeligentes?
Química catalítica y biotecnología:una combinación ganadora
Actualmente, los investigadores están desarrollando enfoques para esto en los proyectos EVOBIO y ShaPID en el Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB. Están trabajando en ambos proyectos en colaboración con varios Institutos Fraunhofer. "Usamos el CO 2 como materia prima, "dice el Dr. Jonathan Fabarius, Biocatalizadores científicos sénior en Fraunhofer IGB. "Estamos siguiendo dos enfoques:primero, catálisis química heterogénea, por el cual convertimos el CO 2 con un catalizador a metanol. Segundo, electroquímica, por el cual producimos ácido fórmico a partir de CO 2 . "Sin embargo, la característica única no reside en este CO 2 - producción de metanol y ácido fórmico a base de solo, pero en su combinación con la biotecnología, más concretamente con fermentaciones por microorganismos. Para decirlo de manera más simple:los investigadores primero toman el producto de desecho CO 2 , que es perjudicial para el clima, para producir metanol y ácido fórmico. Sucesivamente, utilizan estos compuestos para "alimentar" a los microorganismos que producen más productos a partir de ellos. Un ejemplo de este tipo de producto son los ácidos orgánicos, que se utilizan como bloques de construcción para polímeros, una forma de producir CO 2 plásticos a base de Este método también se puede utilizar para producir aminoácidos, por ejemplo, como complementos alimenticios o piensos.
El enfoque novedoso ofrece una serie de ventajas. "Podemos crear productos completamente nuevos, y también mejorar el CO 2 huella de productos tradicionales, "Fabarius especifica. Si bien los procesos químicos convencionales requieren mucha energía y, a veces, disolventes tóxicos, los productos se pueden producir con microorganismos en condiciones más suaves y de mayor eficiencia energética; después de todo, los microbios crecen en soluciones acuosas más respetuosas con el medio ambiente.
Frotis de separación para el aislamiento de colonias individuales de M. extorquens AM1 en una placa de agar medio mínimo que contiene metanol. Crédito:Fraunhofer-Gesellschaft
Vista detallada de un biorreactor para cultivar grandes cantidades de biomasa de M. extorquens AM1. Crédito:Fraunhofer-Gesellschaft
Colorante aislado de cultivos en biorreactores de M. extorquens AM1 en metanol como sustrato o en ácido fórmico (formiato) como sustrato. Crédito:Fraunhofer-Gesellschaft
La ingeniería metabólica lo hace posible
El equipo de investigación utiliza bacterias metilotróficas nativas, es decir, aquellos que metabolizan naturalmente el metanol, y levaduras que en realidad no pueden metabolizar el metanol. Los investigadores también vigilan constantemente si se descubren nuevos organismos interesantes y comprueban su idoneidad como "fábricas de células". Pero, ¿cómo estos microorganismos fabrican realmente los productos? ¿Y cómo podemos influir en lo que producen? "En principio, utilizamos el metabolismo del microorganismo para controlar la fabricación del producto, "explica Fabarius." Para hacerlo, introducimos genes en los microbios que proporcionan el modelo para ciertas enzimas. Esto también se conoce como ingeniería metabólica. "Las enzimas que se producen posteriormente en el microorganismo catalizan la producción de un producto específico a su vez. En contraste, los investigadores desactivan específicamente los genes que podrían influir negativamente en esta producción. "Al variar los genes que se introducen, podemos producir una amplia gama de productos, "Dice Fabarius.
El equipo de investigación está trabajando en toda la cadena de producción:comenzando por los microorganismos, seguido de las modificaciones genéticas y el aumento de la producción. Si bien algunos procesos de fabricación aún se encuentran en la etapa de laboratorio, ya se están produciendo otros productos en biorreactores con una capacidad de diez litros. En cuanto a la aplicación industrial de tales procesos, Fabarius prevé su implementación a mediano y largo plazo. Diez años es un horizonte de tiempo realista, él dice. Sin embargo, La presión sobre la industria para que establezca nuevos procesos está aumentando.
