Los productos químicos cuestan más que dinero: hoy en día, la producción petroquímica arroja casi el 2% de las emisiones de gases de efecto invernadero del mundo. Ahora, los investigadores han dado un paso importante para reducir en gran medida esa huella mediante el uso de bacterias y gases residuales de plantas siderúrgicas, en lugar de petróleo, como ingrediente inicial para docenas de productos químicos básicos. Hasta ahora, el proceso se ha utilizado para tres productos químicos básicos. Pero debido a que los investigadores pueden expandirlo a otros, podría ayudar a la industria química a escapar de su dependencia de los combustibles fósiles y eliminar efectivamente el carbono de los cielos.
“Aprovechar la biología para utilizar gases residuales y producir productos químicos industriales es realmente emocionante”, dice Corinne Scown, experta en biocombustibles del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, que no participó en el trabajo. “Va tras dos sectores a la vez que son difíciles de descarbonizar: la producción de acero y los productos químicos industriales. Aborda un problema difícil”.
Los seres humanos han explotado los microbios durante miles de años para fabricar productos como el alcohol, el queso y el yogur. Pero la biotecnología a escala industrial realmente no despegó hasta principios del siglo XX, cuando, por ejemplo, el químico Chaim Weizmann diseñó varias especies de Clostridium bacterias para convertir almidones y azúcares en acetona, un ingrediente esencial para hacer cordita, una alternativa sin humo a la pólvora. (El éxito de Weizmann fue clave para la victoria aliada en la Primera Guerra Mundial y le dio fama; un político sionista además de químico, Weizmann finalmente se convirtió en el primer presidente de Israel en 1949). Pero el auge de la industria del petróleo en las décadas de 1950 y 1960 dio a los fabricantes de productos químicos materiales de partida más baratos para docenas de productos químicos básicos, relegando a la mayoría de los microbios al basurero industrial.
Pero no todos. Hoy, levadura y Escherichia coli se utilizan ampliamente para producir una gama de productos químicos básicos, incluido el etanol para combustible y compuestos utilizados para fabricar productos farmacéuticos y plásticos. Pero estos caballos de batalla industriales tienen su propia huella ambiental, porque los azúcares y almidones que fermentan provienen de cultivos como el maíz y la caña de azúcar. Para 2026, el maíz cultivado para producir etanol en los Estados Unidos ocupará hasta el 19 % de las tierras agrícolas del país.
Ahora, los biólogos sintéticos están presionando para cultivar microbios con una dieta más respetuosa con el medio ambiente, utilizando gases residuales producidos por la industria, los vertederos de basura y la producción de cultivos, dice Michael Köpke, biólogo sintético de LanzaTech, una empresa de biotecnología. En la década de 1990, los investigadores diseñaron Clostridium autoethanogenum (C auto), una bacteria originalmente enriquecida a partir de heces de conejo, para producir etanol a partir de gas hidrógeno y monóxido de carbono (CO). Desde entonces, los investigadores han mejorado lentamente el rendimiento de etanol y comercializado el proceso. En junio de 2018, LanzaTech inauguró la primera planta de producción que utiliza la bacteria para producir etanol a partir de los gases residuales de una acería (una mezcla principalmente de CO, dióxido de carbono e hidrógeno), que de otro modo sería expulsado a la atmósfera. La empresa ahora utiliza esta tecnología para producir unas 90.000 toneladas de etanol al año.
Todavía, C auto nunca ha igualado la versatilidad de E. coli o levadura. “Hasta ahora la ingeniería Clostridium simplemente ha sido difícil”, dice Michael Jewett, biólogo sintético de la Universidad Northwestern. Las bacterias crecen lentamente y mueren por la exposición al oxígeno. Además, los investigadores tienen pocas herramientas de edición de genes adaptadas para alterar el metabolismo de los microbios.
Ya no. Jewett, Köpke y sus colegas utilizaron una estrategia de varios pasos para persuadir C auto en producir acetona e isopropanol (IPA), un líquido incoloro que se encuentra en desinfectantes y limpiadores. Comenzaron con una colección de 272 consumidores de azúcar. Clostridium cepas mantenidas por el microbiólogo sudafricano retirado David T. Jones, uno de los últimos asistentes postdoctorales de Weizmann. El equipo de investigación separó las células bacterianas y las extrajo en busca de enzimas que parecían desempeñar un papel en la biosíntesis de acetona. Secuenciaron los genes de 30 de estas enzimas e insertaron combinaciones de ellas en C auto a través de vehículos de entrega de genes llamados plásmidos. Por separado, los investigadores diseñaron C auto‘s para evitar que los componentes básicos de carbono e hidrógeno produzcan otras sustancias químicas no deseadas. Finalmente, Jewett, Köpke y sus colegas generaron y examinaron 247 variantes genéticas de la bacteria para encontrar los mejores productores químicos. El resultado, informan hoy en Naturaleza Biotecnologíaes son C auto cepas que convertir continuamente los gases residuales del acero en suficiente acetona e IPA para convertirlos en candidatos viables para la producción comercial a gran escala.
Jewett espera que el mismo proceso pueda hacer que la bacteria produzca una variedad de otras sustancias químicas, como el butanol, que se usa en los barnices, y el propanodiol, que se encuentra en los cosméticos. Scown agrega que las nuevas técnicas de biología sintética también podrían ayudar a transformar otros microbios recalcitrantes en caballos de batalla industriales. “Solo estamos arañando la superficie en términos de [microbial] anfitriones que podrían ser viables en el futuro”, dice.
El avance también podría abrir la puerta a la ingeniería de microbios capaces de alimentarse de otros gases residuales, como los producidos por los desechos sólidos municipales y los desechos agrícolas. Y si, como C autoestos microbios utilizan más carbono en la fabricación de sus productos que el que se libera a la atmósfera, la producción de productos químicos industriales puede algún día transformarse de un canalla de gases de efecto invernadero en un campeón.
