Investigadores israelíes modifican una bacteria para que se coma el dióxido de carbono
Científicos israelíes utilizaron ingeniería genética para crear una cepa de Escherichia coli que puede crear materia orgánica a partir del dióxido de carbono durante las reacciones del ciclo de Calvin. Los resultados del estudio fueron publicados en Cell.
La biotecnología ha sido durante mucho tiempo capaz de incorporar los genes de otros organismos en el ADN de las bacterias y hacer que estos genes se expresen, y como resultado, se creen las sustancias necesarias: hormonas (insulina, somatotropina), aminoácidos y otras sustancias. La mayoría de las bacterias que se usan para este propósito son heterótrofos. Esto significa que necesitan otras sustancias orgánicas para producir sustancias orgánicas.
En esto difieren de los autótrofos, que usan materias primas inorgánicas como el dióxido de carbono (CO2) adecuadas para crear compuestos orgánicos. Los autótrofos lo absorben del aire y lo incluyen en moléculas más grandes, un proceso llamado fijación de carbono.
Bacterias para combatir la contaminación
Dado que el contenido de CO2 en la atmósfera del planeta está creciendo y el clima está cambiando junto con él, sería bueno cambiar la bioproducción a un modo que no genere desperdicios, enseñándole a las bacterias a sintetizar sustancias orgánicas a partir del dióxido de carbono.
Varios grupos de científicos ya lo han intentado, pero las bacterias obtenidas en el curso de sus experimentos, requieren algunas sustancias orgánicas para fijar el carbono. En el mejor de los casos, dichos organismos formaron solo un tercio de la biomasa del dióxido de carbono.
El nuevo estudio
Ahora, investigadores del Instituto Weizmann liderados por Ron Milo, han desarrollado E. coli que puede usar CO2 para producir compuestos orgánicos sin agregar materia orgánica. Para hacer esto, agregaron los genes de enzimas necesarios para las reacciones del ciclo de Calvin al ADN de la bacteria (durante el cual el CO2 se convierte en sustancias orgánicas).
Luego inactivaron algunas de las enzimas necesarias para un normal metabolismo en heterótrofos y colocaron las bacterias resultantes en biorreactores, donde la atmósfera contenía 10% de dióxido de carbono, y no 0.4%, como terrestre.
Varias generaciones de bacterias se mantuvieron en biorreactores, agregando un poco de azúcar xilosa al medio para que los microorganismos heterótrofos pudieran sobrevivir. La xilosa no es la fuente más conveniente de carbono; por lo tanto, las bacterias obtuvieron una ventaja en dicho entorno. Primero las aislaron de los biorreactores 203 días después del inicio del experimento, y a los 340 días todas las bacterias pudieron usar CO2 como material para construir sustancias orgánicas.
La energía para la fijación del carbono fue la reacción de oxidación del ácido fórmico. Aunque esta sustancia pertenece a sustancias orgánicas, sus átomos no estaban incluidos en la composición de las moléculas orgánicas de E. coli, lo que significa que el ácido fórmico, por definición, no era compatible con el metabolismo heterotrófico.
A es la evolución de laboratorio de E. coli modificada a partir de bacterias que necesitan xilosa para producir sustancias orgánicas en autótrofos que obtienen energía para sintetizar sustancias orgánicas a través de la oxidación del ácido fórmico (y esta síntesis proviene solo del dióxido de carbono). B es el curso de la evolución de laboratorio de E. coli. Los puntos verdes muestran cómo la proporción de bacterias dependientes de xilosa cambia a lo largo de los días.
Más estudios
El experimento demostró que las bacterias conocidas pueden “sintonizarse” en el tiempo previsible para que produzcan materia orgánica solo a partir de CO2. Es cierto que, hasta ahora, el E. coli resultante produce más CO2 durante la oxidación del ácido fórmico de lo que lo absorbe durante el ciclo de Calvin. Además, no hay certeza absoluta de que el E. coli autótrofo también se pueda cultivar fácilmente a escala industrial; se necesitan nuevos estudios para averiguarlo.
El metabolismo de las bacterias es muy plástico, y sus genomas se cambian fácilmente, por lo que las capacidades y necesidades de estos organismos se pueden controlar dentro de amplios límites. Y el E. coli es también el microorganismo más estudiado. Por lo tanto, no es sorprendente que fuera sobre la base de sus cepas que se crearon bacterias con “letras” adicionales en el ADN.