Científicos del Instituto Weizmann eliminan las bacterias del azúcar, posiblemente liderando el camino para producir ‘combustible verde’
La raza humana ahora enfrenta algunos de los mayores desafíos en su historia. Uno de ellos es cómo garantizar que haya suficientes alimentos y energía para unos 8 mil millones de personas en medio de la creciente crisis climática. Esta crisis plantea dudas sobre la capacidad de la humanidad para continuar reproduciéndose y al mismo tiempo mejorar la calidad de vida, o incluso mantenerla en su nivel actual y, por supuesto, prevenir una catástrofe que dañará millones de vidas, informó Haaretz.
Si la humanidad puede enfrentar con éxito este desafío, y cómo, todavía son preguntas abiertas. Pero todos los expertos se dan cuenta de que para hacerlo, primero tendremos que dejar de depender del combustible fósil, que, cuando se quema, aumenta la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, aumenta el efecto invernadero y conduce al calentamiento global destructivo. Para reducir nuestra dependencia del petróleo, el carbón y el gas, claramente habrá cambios en el estilo de vida, pero también existe la esperanza de que los científicos puedan avanzar hacia la producción de fuentes de energía renovables, cuyo costo para el medio ambiente es muy inferior.
Un nuevo estudio en el Instituto de Ciencia Weizmann en Rehovot ha presentado un avance en la producción de un combustible cuyo costo ambiental es bajo. Los científicos allí han logrado eliminar las bacterias del azúcar y alimentarlas solo con dióxido de carbono en el aire a su alrededor, en una combinación de ingeniería genética y evolución dirigida de las criaturas microscópicas.
La investigación que presenta este logro fue publicada el miércoles en la revista científica Cell.
El profesor Ron Milo, del Departamento de Ciencias Vegetales y Ambientales de Weizmann, en cuyo laboratorio se llevó a cabo la investigación, explica que todos los organismos en la naturaleza son “productores” o “consumidores” de azúcar y otros alimentos, como las grasas. Los productores son algas, plantas y algunos tipos de bacterias que viven en ambientes extremos. Estas bacterias extraen dióxido de carbono de su entorno y, con la ayuda de la energía del sol, lo fijan y crean una molécula compleja, como los azúcares, que son esenciales para la vida.
El resto de los organismos existen en el trabajo de esas plantas y algas y se nutren de ellos, por lo que reciben los azúcares que necesitan para existir. En términos científicos, los “productores” se denominan “autótrofos” y los consumidores heterótrofos. En el laboratorio del profesor Milo, el equipo trabajó durante 10 años hasta que lograron convertir una bacteria heterotrófica en una autótrofa, de consumidora a productora.
En la primera etapa, los investigadores, encabezados por el Dr. Shmuel Gleizer, tomaron la bacteria E. coli común que se usa con frecuencia en laboratorios industriales y de investigación. E. coli es una bacteria heterotrófica ordinaria que requiere azúcares para producir energía y los materiales de construcción necesarios para la célula, conocida como biomasa.
Luego, con la ayuda de una herramienta de edición genética, se unieron a los genes de la bacteria esenciales para la fijación del carbono. Estos genes provienen de otra bacteria, conocida como cianobacterias, que es un microorganismo que vive en el agua y puede llevar a cabo la fotosíntesis. También agregaron otro gen a la bacteria que le permitió recibir energía de un material llamado formiato como sustituto de la energía del sol en la fotosíntesis.
Esta edición genética no fue suficiente para eliminar las bacterias del azúcar, por lo que el Dr. Gleizer, junto con los estudiantes de investigación Roi Ben-Nissan e Yinon Bar-On y otros, comenzaron a eliminar los cultivos del azúcar. Alimentaron abundantemente a las bacterias con dióxido de carbono y formiato y pequeñas cantidades de azúcar en un proceso de evolución dirigida que se prolongó durante unos meses y redujo gradualmente la cantidad de azúcar que recibieron las bacterias que sobrevivieron a la falta de azúcar. Seis meses después, algunos de los primeros descendientes de la bacteria lograron sobrevivir, prosperar y reproducirse sin azúcar.
En la siguiente etapa, los científicos se centraron en probar que las bacterias mejoradas solo sobrevivían con dióxido de carbono. Para hacerlo, utilizaron aire con “carbono enriquecido”: una combinación de gases que contienen el isótopo de carbono 13, que puede diferenciarse de otros isótopos.
Prof. Ron Milo y Dr. Shmuel Gleizer. (Credito de la foto: Ilan Assayag)
Los investigadores alimentaron a las bacterias con aire que contenía dióxido de carbono con el isótopo de carbono 13, que es diferente del carbono más común 12. Luego examinaron la biomasa de las bacterias que se desarrollaron nutridas de esta manera, y vieron que efectivamente los átomos de carbono en sus cuerpos eran carbono 13 originados en el aire que consumían las bacterias y no de otras fuentes.
“En este momento, lo que hemos logrado hacer es demostrar que se puede hacer un cambio de gran alcance, que no estaba claro si era posible“, dijo Milo. La siguiente fase de la investigación, según Milo, es mejorar la eficiencia del proceso de fijación de carbono. Por el momento, las bacterias necesitan aire con una concentración de dióxido de carbono del 5 por ciento, más de 100 veces la concentración en la atmósfera.
Los científicos esperan desarrollar un ciclo cerrado para la creación de un biocombustible: el formato que carga a las células bacterianas con la energía necesaria para fijar el carbono puede producirse directamente desde el aire con energía solar u otra energía renovable. Este material servirá a las bacterias para fijar el dióxido de carbono de la atmósfera y crecer, y se puede crear biocombustible a partir de la biomasa. El uso de este biocombustible no contribuye al efecto invernadero, ya que todo el dióxido de carbono emitido cuando se quema proviene de la atmósfera.
Según Milo, el objetivo ahora es continuar usando el formiato como fuente de energía externa y no tratar de inducir a las bacterias a fotosintetizar directamente de la energía del sol. Sin embargo, “incluso lo que hemos mostrado hasta ahora es considerado por muchos como poco realista, por lo que es posible que este hito también se cruce“, dice. Los posibles usos adicionales de la bacteria mejorada desarrollada en el laboratorio es filtrar el dióxido de carbono producido por las industrias.
Milo dice que las bacterias aún no pueden sobrevivir por sí mismas, por lo que no tienen la intención de dispersarlas directamente en el medio ambiente para reducir activamente la tasa de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Más allá de la imposibilidad de liberar la bacteria, Milo explica que dicha intervención directa en la naturaleza conlleva demasiados riesgos. Pero otra dirección de la investigación podría ayudar a mejorar la producción agrícola: los experimentos sobre la fijación de carbono en las bacterias también revelan nueva información sobre la forma en que el carbono se fija en la naturaleza. Las ideas que surgen de esto pueden ayudar a los científicos a mejorar la fotosíntesis de los cultivos para aumentar la producción en el campo.