Una bacteria ambiental común, Comamonas testosterona, podría convertirse algún día en el centro de reciclaje de plástico de la naturaleza. Mientras que la mayoría de las bacterias prefieren comer azúcares, C. testosteronaen cambio, tiene un apetito natural por los residuos complejos de plantas y plásticos.
En un nuevo estudio dirigido por la Universidad Northwestern, los investigadores han descifrado, por primera vez, los mecanismos metabólicos que permiten C. testosterona para digerir lo aparentemente indigesto. Esta nueva información podría conducir potencialmente a nuevas plataformas biotecnológicas que aprovechen las bacterias para ayudar a reciclar los desechos plásticos.
La investigación se publicará el 6 de febrero en la revista Naturaleza Química Biología.
Comamonas las especies se encuentran en casi todas partes, incluso en suelos y lodos de aguas residuales. C. testosterona Primero llamó la atención de los investigadores por su capacidad natural para digerir los detergentes sintéticos para ropa. Después de un análisis más detallado, los científicos descubrieron que esta bacteria natural también descompone los compuestos del plástico y la lignina (residuos fibrosos y leñosos de las plantas).
Aunque otros investigadores han trabajado para diseñar bacterias que puedan descomponer los desechos plásticos, Aristilde cree que las bacterias con habilidades naturales para digerir plásticos son más prometedoras para las aplicaciones de reciclaje a gran escala.
«Las bacterias del suelo proporcionan un recurso natural sin explotar, poco explorado, de reacciones bioquímicas que podría explotarse para ayudarnos a lidiar con la acumulación de desechos en nuestro planeta», dijo Ludmilla Aristilde de Northwestern. «Encontramos que el metabolismo de C. testosterona está regulado en diferentes niveles, y esos niveles están integrados. El poder de la microbiología es asombroso y podría desempeñar un papel importante en el establecimiento de una economía circular».
El estudio fue dirigido por Aristilde, profesora asociada de ingeniería civil y ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern, y Ph.D. la estudiante Rebecca Wilkes, quien es la primera autora del artículo. El estudio incluyó a colaboradores de la Universidad de Chicago, el Laboratorio Nacional Oak Ridge y la Universidad Técnica de Dinamarca.
pateando azúcar
La mayoría de los proyectos para diseñar bacterias involucran Escherichia coli porque es el organismo modelo bacteriano mejor estudiado. Pero E. coli, en su estado natural, consume fácilmente diversas formas de azúcar. Mientras haya azúcar disponible, E. coli consumirá eso, y dejará atrás los productos químicos plásticos.
«La ingeniería de bacterias para diferentes propósitos es un proceso laborioso», dijo Aristilde. «Es importante observar que C. testosterona no puede usar azúcares, punto. Tiene limitaciones genéticas naturales que impiden la competencia con los azúcares, lo que convierte a esta bacteria en una plataforma atractiva».
Qué C. testosterona Sin embargo, lo que realmente quiere es una fuente diferente de carbono. Y materiales como el plástico y la lignina contienen compuestos con un anillo de sabrosos átomos de carbono. Si bien los investigadores han sabido que C. testosterona puede digerir estos compuestos, Aristilde y su equipo querían saber cómo.
“Estos son compuestos de carbono con una química de enlace compleja”, dijo Aristilde. «Muchas bacterias tienen grandes dificultades para separarlas».
Combinando diferentes ‘ómicas’
para estudiar como C. testosterona degrada estas formas complejas de carbono, Aristilde y su equipo combinaron múltiples formas de análisis basados en «ómicas»: transcriptómica (estudio de moléculas de ARN); proteómica (estudio de proteínas); metabolómica (estudio de metabolitos); y fluxómica (estudio de las reacciones metabólicas). Los estudios integrales de «multi-ómica» son tareas masivas que requieren una variedad de técnicas diferentes. Aristilde dirige uno de los pocos laboratorios que lleva a cabo estudios tan exhaustivos.
Al examinar la relación entre la transcriptómica, la proteómica, la metabolómica y la fluxómica, Aristilde y su equipo trazaron un mapa de las vías metabólicas que utilizan las bacterias para degradar los compuestos de plástico y lignina en carbonos para alimentarse. Finalmente, el equipo descubrió que las bacterias primero descomponen el anillo de carbonos en cada compuesto. Después de romper el anillo en una estructura lineal, las bacterias continúan degradándolo en fragmentos más cortos.
“Comenzamos con un compuesto de plástico o lignina que tiene siete u ocho carbonos unidos entre sí a través de un núcleo circular de seis carbonos que forman el llamado anillo de benceno”, explicó Aristilde. «Luego, lo rompen en cadenas más cortas que tienen tres o cuatro carbonos. En el proceso, las bacterias alimentan esos productos descompuestos en su metabolismo natural, para que puedan producir aminoácidos o ADN para ayudarlos a crecer».
Reciclaje de residuos plásticos
Aristilde también descubrió que C. testosterona puede dirigir el carbono a través de diferentes rutas metabólicas. Estas rutas pueden conducir a subproductos útiles que pueden usarse para polímeros industrialmente relevantes como los plásticos. Aristilde y su equipo están trabajando actualmente en un proyecto que investiga el metabolismo que desencadena la biosíntesis de este polímero.
«Estos Comamonas Las especies tienen el potencial de hacer varios polímeros relevantes para la biotecnología”, dijo Aristilde. “Esto podría conducir a nuevas plataformas que generen plástico, disminuyendo nuestra dependencia de los productos químicos derivados del petróleo. Uno de los principales objetivos de mi laboratorio es utilizar recursos renovables, como convertir desechos en plástico y reciclar los nutrientes de los desechos. Entonces, no tendremos que seguir extrayendo productos químicos del petróleo para fabricar plásticos, por ejemplo».
Aristilde es miembro del Instituto de Sostenibilidad y Energía del Programa de Plásticos, Ecosistemas y Salud Pública de Northwestern.
