El objetivo final de los investigadores israelíes es crear factorías biológicas que conviertan el gas responsable del cambio climático en comida y combustibles.
Nature / 27 de noviembre de 2019.- La bacteria E. coli está a dieta. Los investigadores han creado una cepa de la bacteria que representa un caballo de batalla de laboratorio (de nombre completo Escherichia coli), que crece al consumir dióxido de carbono en lugar de azúcares u otras moléculas orgánicas.
El logro es un hito, dicen los científicos, porque altera drásticamente el funcionamiento interno de uno de los organismos modelo más populares de la biología. Y en el futuro, la E. coli que se alimenta de CO2 podría usarse para producir moléculas de carbono orgánico que podrían usarse como biocombustibles o para producir alimentos. Los productos fabricados de esta manera tendrían menos emisiones en comparación con los métodos de producción convencionales y podrían eliminar el gas del aire. El estudio se publicó en la revista Cell el 27 de noviembre.
«Es como un trasplante metabólico de corazón», dice Tobias Erb, bioquímico y biólogo sintético del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre en Marburg, Alemania, que no participó en el estudio.
Las plantas y las cianobacterias fotosintéticas, microbios acuáticos que producen oxígeno, utilizan la energía de la luz para transformar o fijar el CO2 en los componentes básicos de la vida que contienen carbono, incluidos el ADN, las proteínas y las grasas. Pero estos organismos pueden ser difíciles de modificar genéticamente, lo que ha frenado los esfuerzos para convertirlos en fábricas biológicas.
Por el contrario, E. coli es relativamente fácil de re-diseñar, y su rápido crecimiento significa que los cambios se pueden probar y ajustar rápidamente para optimizar las modificaciones genéticas. Pero la bacteria prefiere crecer en azúcares como la glucosa, y en lugar de consumir CO2, emite el gas como desecho.
Ron Milo, biólogo de sistemas del Instituto de Ciencia Weizmann en Rehovot, Israel, y su equipo han pasado la última década revisando la dieta de E. coli. En 2016, crearon una cepa que consumía CO2, pero el compuesto representaba solo una fracción de la ingesta de carbono del organismo; el resto era un compuesto orgánico que alimentaban las bacterias, llamado piruvato.
Dieta de gas
En el último trabajo, Milo y su equipo utilizaron una combinación de ingeniería genética y evolución dirigida en laboratorio para crear una cepa de E. coli que puede obtener todo su carbono desde el CO2. Primero, le dieron a la bacteria genes que codifican un par de enzimas que permiten a los organismos fotosintéticos convertir el CO2 en carbono orgánico. Las plantas y las cianobacterias potencian esta conversión con luz, pero eso no era factible para E. coli. En cambio, el equipo de Milo insertó un gen que permite que la bacteria extraiga energía de una molécula orgánica llamada formiato.
Incluso con estas adiciones, la bacteria se negó a cambiar su comida a base de azúcar por CO2. Para ajustar aún más la cepa, los investigadores cultivaron sucesivas generaciones de E. coli modificada durante un año, dándoles solo pequeñas cantidades de azúcar y CO2 a concentraciones aproximadamente 250 veces mayores que las de la atmósfera de la Tierra. Esperaban que la bacteria desarrollara mutaciones para adaptarse a esta nueva dieta. Después de aproximadamente 200 días, surgieron las primeras células capaces de usar CO2 como su única fuente de carbono. Y después de 300 días, estas bacterias crecieron más rápido en condiciones de laboratorio que aquellas que no podían consumir CO2.
Las cepas de E. coli que comen CO2, o autótrofas, aún pueden crecer a base azúcar, y usarían esa fuente de combustible sobre el CO2, si se les da la opción, dice Milo. En comparación con la E. coli normal, que puede duplicarse en número cada 20 minutos, las E. coli autótrofas son rezagadas y se dividen cada 18 horas cuando se cultivan en una atmósfera con 10% de CO2. No pueden subsistir sin azúcar en los niveles atmosféricos de CO2, actualmente 0.041%.
Milo y su equipo esperan que sus bacterias crezcan más rápido y vivan con niveles más bajos de CO2. También están tratando de entender cómo evolucionó la E. coli para comer CO2: los cambios en solo 11 genes parecían permitir el cambio, y ahora están trabajando para determinar cómo.
El trabajo es un «hito» y muestra el poder de la ingeniería de fusión y la evolución para mejorar los procesos naturales, dice Cheryl Kerfeld, bioingeniera de la Universidad Estatal de Michigan en East Lansing y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California.
La E. coli ya se usa para hacer versiones sintéticas de químicos útiles como la insulina y la hormona del crecimiento humano. Milo dice que el trabajo de su equipo podría expandir los productos que las bacterias pueden producir, para incluir combustibles renovables, alimentos y otras sustancias. Pero él no ve que esto suceda pronto.
«Este es un estudio de prueba de concepto», concuerda Erb. «Pasarán un par de años hasta que veamos este organismo aplicado».