La levadura modificada genéticamente podría producir huesos y dientes artificiales y otros materiales como bioplásticos e incluso fertilizantes. Además, proporcionan una forma de obtener valor de la orina y reducir el costo de la gestión de aguas residuales.
Berkeley Lab / 17 de junio, 2025.- Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), la Universidad de California en Irvine y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (UIUC) han utilizado la ingeniería genética para convertir la orina humana en un producto valioso. El equipo modificó genéticamente una levadura para aprovechar los elementos presentes en la orina y crear hidroxiapatita, un mineral a base de calcio y fósforo producido naturalmente por humanos y otros animales para la formación de huesos y dientes.
La hidroxiapatita fabricada comercialmente se utiliza en cirugía y odontología para reparar estas estructuras cuando se rompen. La notable resistencia y dureza de este material ligero lo convierten en un excelente candidato para la construcción e incluso como sustituto de algunos tipos de plástico.
Su trabajo, publicado recientemente en Nature Communications, no solo proporciona una vía rentable para producir hidroxiapatita, sino también un mecanismo práctico para reducir el coste del tratamiento de aguas residuales, un método energéticamente eficiente para producir fertilizantes y abre la puerta a otras tecnologías basadas en levadura que pueden crear materiales útiles a partir de minerales recuperados.
Una mezcla extraña
La estrella del espectáculo es la cepa de Saccharomyces boulardii del equipo, una levadura estrechamente relacionada con las especies utilizadas para elaborar cerveza y pan. A S. boulardii le gusta extraer minerales de su entorno y almacenarlos dentro de un compartimento especial de membrana.
Los coautores Yasuo Yoshikuni, director del Programa Científico de Síntesis de ADN del Instituto Conjunto del Genoma (JGI), y Peter Ercius, científico del Centro Nacional de Microscopía Electrónica de Molecular Foundry, exploraban maneras de crear biomateriales funcionales con microbios cuando se dieron cuenta de que S. boulardii realizaba de forma natural actividades similares a las de los osteoblastos, las células animales especializadas que producen hidroxiapatita y forman el hueso.
Tanto el JGI como Molecular Foundry son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) ubicadas en el Laboratorio Berkeley.
«Lo sorprendente es que esta levadura ya contaba con mecanismos moleculares similares», afirmó Yoshikuni, especialista en la ingeniería de microbios para la producción de combustibles, sustancias químicas y materiales en el JGI. «Con una ligera modificación, la levadura se convirtió en una fábrica celular de hidroxiapatita».
El organismo resultante, denominado «osteolevadura«, imita con éxito a los osteoblastos, cuyo cultivo extracorpóreo es extremadamente difícil y costoso, a la vez que mantiene el estilo de vida de bajo mantenimiento de la levadura. Desde el principio, la osteolevadura representó un gran retorno de la inversión al permitir una producción de hidroxiapatita más económica. Sin embargo, el equipo vio la oportunidad de generar un mayor impacto global con su invención utilizando la orina como fuente de minerales, inspirados en una tendencia emergente en biotecnología acertadamente llamada «ciclado de orina».
«Es prácticamente lo que uno se imagina», afirmó el autor Behzad Rad, Ingeniero Científico Principal Asociado en el Centro de Nanoestructuras Biológicas de Molecular Foundry. Se intenta recolectar la orina antes de que llegue al alcantarillado para utilizar el amoníaco y el fosfato que contiene en la agricultura y otras aplicaciones. Estos componentes causan problemas ambientales cuando las aguas residuales llegan al paisaje o al océano, por lo que las plantas de tratamiento ya están invirtiendo mucho dinero para neutralizarla. La idea es: ¿por qué no aprovecharla?
Según Yoshikuni, el reciclaje de orina no se ha generalizado porque el costo del amoníaco y el fosfato es tan bajo que hay pocos incentivos financieros para invertir en nuevas infraestructuras a gran escala que puedan recuperar estos ingredientes. Pero ahora, la osteolevadura puede producir hidroxiapatita de alto valor a partir del fósforo (y el calcio) de la orina. Y, convenientemente, los microbios también recogen las sales de amoníaco en sus compartimentos de membrana.
«Hoy en día, utilizamos aproximadamente el 1% de la energía mundial para fabricar fertilizantes a partir de nitrógeno gaseoso», afirmó. Si logramos producir hidroxiapatita y fabricar fertilizantes nitrogenados a partir del amoníaco, podríamos reemplazar una parte significativa de la demanda total de nitrógeno, ahorrando energía y reduciendo drásticamente los costos en las plantas de tratamiento de aguas residuales.
Buena estructura ósea
Un aspecto clave de este proyecto fue confirmar que la osteolevadura completaba todos los pasos de la producción de hidroxiapatita. Los resultados iniciales indicaron que el proyecto fue un éxito rápido cuando Isaak Müller y Alex Lin, dos investigadores postdoctorales del Laboratorio Berkeley y coautores principales del artículo, detectaron hidroxiapatita en el cultivo, pero no encontraron el material cristalino en el interior de la levadura.
Pudieron observar gránulos minerales a escala nanométrica acumulados en el interior de las células, pero no estaban seguros de si se trataba de la levadura completando el proceso de formación de cristales o si se estaba produciendo una reacción química independiente en el exterior de las células. Esta parte del proyecto fue dirigida por Ercius y Rad, utilizando herramientas de Molecular Foundry.
Rad utilizó cepas de levadura marcadas con diminutas proteínas y elementos fluorescentes para observar los ingredientes que la conformaban mediante microscopía óptica, mientras que Ercius empleó microscopía electrónica de transmisión (MET) para verificar que los gránulos que se formaban en la membrana de almacenamiento tuvieran la misma composición que la hidroxiapatita. Al combinar las técnicas, pudieron rastrear todo el proceso. Ercius también utilizó TEM para demostrar que la hidroxiapatita es de alta calidad y presenta una nanoestructura ideal.
Mientras tanto, Yoshikuni, junto con Yusuke Otani, coautor principal y becario postdoctoral en el JGI, demostró que los microbios pueden producir este valioso material con una eficiencia impresionante, produciendo un gramo de hidroxiapatita por kilogramo de orina.
«La colocalización de todas estas instalaciones fue clave», afirmó Ercius. «Que pudiéramos reunirnos y colaborar tan estrechamente fue crucial. No soy biólogo, y mis colegas no son expertos en síntesis y caracterización de materiales. Este trabajo demuestra lo que se puede lograr al combinar enfoques científicos que normalmente no se realizan juntos».
Estas imágenes, obtenidas con microscopía electrónica de transmisión (MET), muestran materiales dentro y fuera de las células de levadura. Las partículas intracelulares están compuestas de fosfato de calcio amorfo (los componentes de la hidroxiapatita sin la estructura completa) y los cristales extracelulares, similares a plaquetas, son hidroxiapatita cristalina. Crédito: Berkeley Lab.
Convirtiendo el amarillo en verde
Para validar la viabilidad económica de su proyecto de reciclaje de orina, los científicos del Laboratorio Berkeley recurrieron al coautor Jeremy Guest, responsable de Diseño Sostenible del Centro de Innovación en Bioenergía y Bioproductos Avanzados del Departamento de Energía de la UIUC. Guest y Xinyi (Joy) Zhang, investigadora científica de la UIUC, realizaron un análisis tecnoeconómico para simular sistemas distribuidos de producción de hidroxiapatita que abastecen a una ciudad del tamaño de San Francisco.
Considerando los costos de cultivar la osteolevadura y separar la orina de las aguas residuales, Guest y Zhang estiman que producir un kilogramo de hidroxiapatita de calidad comercial costaría aproximadamente 19 dólares, que podría venderse entre 50 y 200 dólares en el mercado estadounidense. El sistema completo podría generar una ganancia de aproximadamente 1,4 millones de dólares al año, a la vez que reduciría los insumos químicos necesarios para garantizar la seguridad de las aguas residuales.
«Es importante que consideremos los posibles impactos de un sistema a gran escala», afirmó Guest. «Podemos desarrollar una nueva tecnología y demostrarla en el laboratorio, pero ¿es realmente viable? ¿Existe una oportunidad para esta innovación en el mundo real?»
La osteolevadura patentada ya está disponible para licencia para la producción de hidroxiapatita, y el equipo trabaja en el desarrollo de nuevas cepas capaces de sintetizar otros materiales de origen biológico o de capturar y almacenar elementos específicos para facilitar la biominería respetuosa con el medio ambiente. Esta tecnología tiene casi tantas aplicaciones como juegos de palabras para describirla.