Los científicos han diseñado bacterias para fabricar dos productos valiosos a partir de fibras vegetales.

20 de diciembre de 2023

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por Chris Hubbuch, Universidad de Wisconsin-Madison

A menudo recurrimos a los organismos más pequeños para ayudarnos a resolver los problemas más grandes: los microorganismos ayudan a elaborar alimentos y bebidas, curan enfermedades, tratan desechos e incluso limpian la contaminación. Las levaduras y las bacterias también pueden convertir los azúcares vegetales en biocombustibles y productos químicos tradicionalmente derivados de los combustibles fósiles, un componente clave de la mayoría de los planes para frenar el cambio climático.

Ahora, investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison han modificado bacterias que pueden producir dos productos químicos al mismo tiempo a partir de fibras vegetales subutilizadas. Y a diferencia de los humanos, estos microorganismos multitarea pueden hacer ambas cosas igual de bien.

'Hasta donde tengo conocimiento, es una de las primeras veces que puedes hacer dos productos valiosos simultáneamente en un microorganismo', dice Tim Donohue, profesor de bacteriología de la Universidad de Wisconsin-Madison y director del Great Lakes Bioenergy Research Center.

El descubrimiento, detallado en un artículo en la revista Applied and Environmental Microbiology, podría ayudar a que los biocombustibles sean más sostenibles y comercialmente viables.

'En principio, la estrategia reduce las emisiones netas de gases de efecto invernadero y mejora la economía', dice Donohue. 'La cantidad de energía y gases de efecto invernadero que necesitas para producir dos productos en una sola olla será menor que dirigir dos ollas para hacer un producto en cada una'.

La búsqueda de alternativas sostenibles a los combustibles fósiles depende de extraer el máximo valor posible de la biomasa renovable. Al igual que con los productos petroquímicos, cada molécula cuenta: los productos de bajo volumen y alto valor ayudan a mantener los combustibles más asequibles.

Una de las barreras más grandes es una parte de la pared celular de las plantas llamada lignina. La lignina es la fuente renovable más abundante de carbones aromáticos, pero su estructura irregular dificulta su descomposición en componentes útiles.

Por eso, los científicos del GLBRC han estudiado una bacteria llamada Novosphingobium aromaticivorans (a veces simplemente conocida como Novo), que puede digerir muchos componentes de la lignina y es relativamente fácil de modificar genéticamente.

En 2019, los investigadores modificaron una cepa de Novo que puede producir un ingrediente clave de plásticos como el nylon y la poliuretano, conocido como PDC. Más recientemente, un equipo en el laboratorio de Donohue descubrió otra modificación que permite a Novo producir otro ingrediente plástico llamado ccMA.

Pero no se detuvieron allí.

'No vamos a resolver nuestro problema de emisiones de carbono solo produciendo dos productos', dice Ben Hall, un reciente doctorado que contribuyó a la investigación.

El equipo de Donohue utilizó modelado genómico para hacer una lista de productos potenciales que podrían ser fabricados a partir de aromáticos de biomasa. Cerca de la parte superior de la lista estaba la zeaxantina, uno de un grupo de pigmentos orgánicos conocidos como carotenoides.

Los carotenoides, que dan a las zanahorias, calabazas, salmón e incluso flamencos sus colores distintivos, se utilizan como suplementos nutricionales, productos farmacéuticos y cosméticos y tienen un valor de mercado acumulativo que vale decenas de miles de millones de dólares al año.

Los investigadores sabían que Novo tenía los genes para producir otro carotenoide con poco valor de mercado. Basándose en la secuencia del genoma de la bacteria, sospechaban que la zeaxantina es un paso intermedio hacia ese carotenoide de menor valor en el proceso que las células usan para fabricar moléculas complejas. Solo era cuestión de alterar los genes correctos para detener la línea de ensamblaje digestivo en el producto más valioso.

Eliminando o añadiendo genes seleccionados, crearon cepas que producían zeaxantina así como otros carotenoides valiosos - betacaroteno, licopeno y astaxantina - cuando crecían en un compuesto aromático comúnmente encontrado en la lignina.

A continuación, el equipo demostró que las bacterias modificadas podían producir los mismos carotenoides a partir de un licor hecho de tallos de sorgo molidos y tratados, una solución que contiene una mezcla de aromáticos que muchas bacterias industriales no pueden digerir.

Entonces, Hall se preguntó qué sucedería si combinara los cambios genéticos necesarios para producir PDC y un carotenoide en el mismo microorganismo.

Las cepas resultantes producían tanto PDC como el carotenoide deseado, sin una pérdida discernible en ninguno de los rendimientos. Mejor aún, las bacterias acumulaban los carotenoides dentro de sus células, que debían separarse de la solución que contenía el PDC que secretaban.

'Ya estamos separando las células del medio', dice Hall. 'Ahora tendríamos un producto saliendo de ambos'.

The next steps include testing whether engineered strains can simultaneously produce carotenoids and ccMA, which Donohue thinks they will, and to engineer strains to improve yields in industrial conditions.

While there are lucrative markets for each of these products, Donohue and Hall say the real value of the discovery is the ability to add multiple functions to this biological platform.

'To me, it's both the strategy and the products,' Donohue says. 'Now that we've done this, I think it opens the door to see if we can create other microbial chassis that make two products.'

Journal information: Applied and Environmental Microbiology

Provided by University of Wisconsin-Madison