Profesor Ron Milo (Foto: Instituto Weizmann)
Las bacterias del laboratorio del profesor Ron Milo en el Instituto Weizmann de Ciencias no solo han dejado el azúcar, también han dejado de consumir todos sus alimentos sólidos normales, viviendo del dióxido de carbono (CO2) existente en su entorno. Es decir, pudieron crear toda su biomasa a partir del aire. Esta hazaña, que necesitó de casi una década de diseño racional, ingeniería genética y evolución acelerada en el laboratorio, fue reportada esta semana en Cell. Los hallazgos apuntan a los medios para desarrollar, a futuro, combustibles neutros de carbono.
La investigación comenzó identificando los genes fundamentales para el proceso de fijación de carbono: la manera como las plantas toman el carbono del CO2 con el fin de convertirlo en moléculas biológicas tales como proteínas, ADN, etc. El equipo de investigación añadió y reorganizó los genes necesarios. Encontraron que muchas de las «piezas» de la maquinaria que ya estaban presentes en el genoma bacteriano podían usarse tal como estaban. También insertaron un gen que permitió a las bacterias obtener energía de una sustancia fácilmente disponible , llamada formiato, que puede producirse directamente de la electricidad y el aire, y que está dispuesta a «entregar» electrones a la bacteria.
Solo darle a la bacteria los «medios de producción» no era suficiente para que ellas hicieran el cambio. Hubo que usar otro truco para lograr que las bacterias usaran esta maquinaria adecuadamente, y esto involucraba un delicado acto de equilibrio. Junto con Roee Ben-Nissan, Yinon Bar-On y otros miembros del equipo de Milo del Departamento de Ciencias de las Plantas y el Medio Ambiente del Instituto, Gleizer utilizó una técnica conocida: evolución en el laboratorio. En esencia, las bacterias fueron privadas gradualmente del azúcar al que estaban acostumbradas a consumir. En cada etapa, a las bacterias cultivadas se les proporcionó solo la cantidad de azúcar necesaria para evitar la inanición, al igual que abundante CO2 y formiato. Algunas «aprendieron» a desarrollar un gusto por el CO2 (que les dio una ventaja evolutiva sobre las que se quedaron con el azúcar) y a sus descendientes se les suministró cada vez menos azúcar, hasta que aproximadamente luego de un año de adaptarse a la nueva dieta, algunas eventualmente se cambiaron por completo, viviendo y multiplicándose en un ambiente que solo se suministraba CO2 puro.
Para comprobar si las bacterias no estaban de alguna manera «merendando» otros nutrientes, algunas de la E. coli evolucionadas fueron alimentadas de CO2 que contenía un isótopo pesado: C13. Luego las partes del cuerpo bacteriano fueron pesadas y el peso ganado fue comparado contra la masa que habrían ganado por consumir la versión más pesada del carbono. El análisis demostró que los átomos de carbono de los cuerpos de las bacterias fueron todos extraídos directamente de CO2 únicamente.
El equipo de investigación se dispuso a caracterizar las bacterias recién evolucionadas. ¿Qué cambios fueron fundamentales para la adaptación a esta nueva dieta? Aunque algunos de los cambios genéticos que identificaron pueden haber estado relacionados con sobrevivir al hambre, otros parecen regular la sincronización de los pasos para crear componentes básicos mediante la acumulación del CO2. «La célula necesita lograr un equilibrio entre la congestión tóxica y la bancarrota», afirma Bar-On. Sin embargo, otros cambios que el equipo notó tienen que ver con transcripción: que regula cómo se activan o desactivan los genes existentes. «Esperamos que más investigaciones descubran exactamente cómo han ajustado sus actividades estos genes», afirma Ben-Nissan.
Los investigadores creen que la nueva «afición saludable» de las bacterias al final puede ser saludable para el planeta. Milo señala que hoy en día, las empresas de biotecnología usan cultivos de células para producir químicos comerciales. Dichas células, levaduras o bacterias pueden ser inducidas para que vivan de una dieta de CO2 y electricidad renovable, privadas así de las enormes cantidades de jarabe de maíz del que viven hoy en día. Las bacterias se pueden adaptar más, para que en vez de tomar su energía de una sustancia como el formiato, puedan obtenerla directamente, por ejemplo de electrones de un colector solar, y luego almacenar esta energía para usarla posteriormente como combustible en forma de carbono fijado a sus células. Dicho combustible sería neutro de carbono, si su fuente de carbono fuera el CO2 atmosférico.
«Nuestro laboratorio fue el primero en trabajar la idea de cambiar la dieta de un heterótrofo normal (que consume sustancias orgánicas) para convertirlo en autótrofo (que vive del aire)», afirma Milo. «Al principio parecía imposible, pero en el camino nos ha enseñado numerosas lecciones, y al final, hemos demostrado que se puede lograr. Nuestros hallazgos son un hito importante para nuestra meta de lograr aplicaciones científicas eficientes y sostenibles».
***El profesor Ron Milo es el director de Centro Canadiense de Investigación de Energías Alternativas Mary y Tom Beck. Su investigación es apoyada por el Programa de Liderazgo STEM Zuckerman; el Fondo de Beneficencia Nuevo Científico Larson; la Fundación de la Familia Ullmann; Dana y Yossie Hollander; y el Consejo Europeo de Investigación. El profesor Milo es profesor titular de la cátedra Charles y Louise Gartner.
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