Hoy en día, las materias primas de prácticamente todos los productos industriales, desde medicamentos hasta neumáticos para automóviles, provienen de materias primas químicas no renovables. Se producen en refinerías de combustibles fósiles que emiten gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono. Sin embargo, las futuras fábricas de productos químicos podrían invertir esta dinámica, fabricando algunos compuestos utilizando plantas que naturalmente construyen productos químicos complejos extrayendo moléculas de dióxido de carbono del aire.

Tomokazu Shirai aprovecha las capacidades químicas nativas de la biología y las redirige para que las plantas y los microbios produzcan limpiamente los tipos de productos químicos industriales que actualmente se derivan del craqueo del petróleo crudo. El biólogo sintético es científico sénior en el equipo de investigación de Cell Factory y se unió al Centro RIKEN para la ciencia de recursos sostenibles (CSRS, anteriormente, el Programa de ingeniería de biomasa RIKEN) en 2012. Su equipo ya ha creado los primeros microbios del mundo que toman glucosa y la convierten en ácido maleico o 1,3-butadieno. Estos valiosos productos químicos industriales se utilizan en innumerables productos, incluidos polímeros y cauchos.

Pero este es solo el primer paso para los biólogos sintéticos del CSRS. Estos microbios modificados necesitan ser alimentados con azúcares para producir las sustancias químicas objetivo, pero si las plantas se utilizan como organismo huésped, su capacidad para asimilar el dióxido de carbono directamente de la atmósfera dará como resultado la producción de muchas sustancias químicas valiosas con carbono negativo.

Diseño envejecido por computadora

La biología sintética es un área emergente de investigación que combina la química, la biología y la ingeniería para reelaborar las vías metabólicas productoras de moléculas de los organismos objetivo para que produzcan sustancias químicas valiosas. Los científicos del CSRS tienen experiencia en química catalítica y en biología química, pero también muchos que se especializan en ciencia de datos a gran escala, cálculo y simulación e IA.

El uso de IA representa una desviación de las formas tradicionales de hacer biología sintética. Pero este enfoque computacional ha sido clave para una colaboración con el fabricante de neumáticos Yokohama Rubber y Zeon Corporation. La empresa conjunta ha diseñado y creado microbios E. coli que toman glucosa y la convierten en 1,3-butadieno, un químico sintético clave que se usa para fabricar neumáticos.

El primer paso en cualquier proyecto de biología sintética es analizar las vías metabólicas del huésped potencial para identificar los puntos que podrían desviarse para producir la sustancia química deseada. Cualquier modificación no debe matar o afectar significativamente el crecimiento del huésped.

Desde 2012, Shirai ha estado desarrollando y perfeccionando la herramienta de simulación BioProV para navegar en este complejo espacio bioquímico. BioProV es una IA entrenada en la clasificación de rutas metabólicas y patrones de reacción enzimática que analiza las rutas metabólicas naturales de un organismo. Propone modificaciones de la vía para producir un químico objetivo sin afectar el metabolismo general del huésped. Esta herramienta in silico permite el diseño de rutas metabólicas artificiales y la evaluación de su viabilidad.

Su equipo identificó que E. coli produce naturalmente una molécula llamada ácido mucónico, que podría convertirse en 1,3-butadieno en dos reacciones enzimáticas. Para darle al microbio la capacidad de llevar a cabo los dos pasos faltantes, Shirai y sus colegas diseñaron enzimas para la conversión química necesaria en 2021.

Para hacer esto, identificaron enzimas conocidas que podrían catalizar reacciones relacionadas y luego las modificaron para las nuevas reacciones. La simulación computacional fue necesaria para rediseñar y remodelar los sitios activos de las enzimas candidatas para aceptar el nuevo sustrato. El equipo diseñó racionalmente enzimas que lograron un aumento de 1000 veces en la actividad en comparación con la enzima de tipo salvaje original.

Los códigos de ADN para estas enzimas mejoradas se insertaron en el genoma de E. coli y ahora el 1,3-butadieno producido por estos microbios modificados se canaliza fácilmente desde su biorreactor. Los socios comerciales del proyecto actualmente están ampliando el proceso para producir las cantidades de kilogramos de 1,3-butadieno necesarias para fabricar y evaluar neumáticos fabricados con el producto químico bioderivado.

Las empresas químicas emplean a muchos químicos, pero pocos investigadores biológicos, por lo que conectarse y colaborar con estas empresas para traducir la biología sintética al mundo real es un gran paso.

Carpintería

Una alternativa sostenible a la producción química tradicional derivada de combustibles fósiles es tomar materiales que actualmente se consideran desechos y convertirlos química o biológicamente en productos valiosos.

Los tallos leñosos y los tallos de las plantas que quedan después de la cosecha de frutas y granos son una corriente de desechos a escala mundial. El componente principal de estas partes de plantas no comestibles es la lignina, un biopolímero resistente. La lignina es el compuesto más abundante de las plantas y uno de los compuestos más abundantes en la Tierra. Puede obtenerse de desechos agrícolas y es la fuente de carbono más económica y sostenible para fabricar combustibles y productos químicos renovables. Utilizarlo como materia prima para productos químicos de alto valor podría ser muy beneficioso para la sociedad.

La compleja estructura química de la lignina dificulta su descomposición y reensamblaje en nuevos compuestos. Por ejemplo, un tratamiento térmico conocido como pirólisis rápida puede descomponer la lignina en subunidades llamadas monómeros cinámicos. Estas moléculas cuentan con un doble enlace que podría usarse potencialmente para recombinar los monómeros en polímeros funcionales avanzados. Sin embargo, las cadenas laterales ubicadas alrededor del doble enlace impiden la reactividad química, lo que dificulta los esfuerzos para fabricar polímeros a partir de estos desechos biológicos.

El científico del CSRS, Hideki Abe, desarrolló recientemente un método para superar esta limitación. En lugar de biología sintética, Abe utilizó organocatálisis para unir monómeros cinámicos. La organocatálisis es una técnica de química sostenible, reconocida por el Premio Nobel de Química de 2021, que utiliza pequeñas moléculas orgánicas como catalizadores en lugar de los catalizadores tradicionales basados ​​en metales raros o tóxicos.

Las resinas acrílicas resultantes mostraron una alta resistencia y resistencia al calor y a la degradación química, lo que sugiere una amplia gama de usos potenciales, incluso para carrocerías de automóviles y componentes de motores.

Sembrar el crecimiento futuro

Otro producto de desecho abundante es el dióxido de carbono atmosférico.

Para el equipo de investigación de Cell Factory, el siguiente gran desafío es utilizar la biología sintética para desarrollar plantas que puedan absorber ese dióxido de carbono de la atmósfera y convertirlo en sustancias químicas de importancia industrial.

En comparación con los microbios unicelulares, los organismos superiores multicelulares, como las plantas, son mucho más complejos en su genoma y rutas metabólicas. Esto los hace significativamente más desafiantes para el trabajo de los biólogos sintéticos. La reingeniería exitosa de las vías metabólicas de los microbios ha brindado un excelente entrenamiento hacia el objetivo final de utilizar plantas como huéspedes. Al colaborar con investigadores del CSRS que se especializan en ciencia vegetal, el equipo de investigación de Cell Factory está traduciendo su trabajo pionero en microbios en conocimientos que pueden acelerar la biología sintética de células vegetales, particularmente para la producción de terpenoides utilizados en medicamentos y compuestos aromáticos.

Con el gobierno japonés anunciando recientemente su objetivo de ser neutral en carbono para 2050, las plantas superiores que pueden fijar el dióxido de carbono utilizando la energía de la luz solar son el ideal absoluto para la producción química futura.

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