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29 de Noviembre de 2019
BIOTECNOLOGÍA

Se ha modificado una bacteria para que consuma dióxido de carbono

El logro podría convertir a Escherichia coli en un sistema biológico de producción de energía e incluso de alimentos.

La bacteria Escherichia coli ha sido modificada para que crezca consumiendo dióxido de carbono.[iStock / Claudio Ventrella]

Los investigadores han creado una cepa de la bacteria Escherichia coli que tiene la capacidad de crecer consumiendo dióxido de carbono en lugar de azúcares u otras moléculas orgánicas.

El logro es un hito, según los científicos, porque altera drásticamente el funcionamiento interno de uno de los organismos modelo más populares de la biología. Y en el futuro, la nueva cepa tal vez permita producir moléculas de carbono orgánico que podrían ser usadas como biocombustibles o para obtener alimentos. Los productos generados de esta manera tendrían menos emisiones en comparación con los métodos de producción convencionales, e incluso podrían llegar a eliminar el gas del aire. El trabajo acaba de ser publicado en Cell por Ron Milo, biólogo de sistemas del Instituto Weizmann de Ciencias, en Rehovot, y sus colaboradores.

Las plantas y las cianobacterias (microorganismos acuáticos con capacidad fotosintética) utilizan la energía de la luz para transformar, o fijar, el CO2 del aire en los componentes básicos de la vida que contienen carbono, entre ellos 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 modificar, y su rápido crecimiento permite ensayar y ajustar los cambios para optimizar las alteraciones genéticas. No obstante, la bacteria prefiere crecer sobre azúcares como la glucosa, y en lugar de consumir CO2, emite este gas como producto residual.

Los autores han dedicado la última década manipulando la «dieta» de E. coli. En 2016, crearon una cepa que consumía CO2, pero el compuesto representaba solo una parte de la ingesta de carbono del organismo; el resto lo obtenía del piruvato, un compuesto orgánico con el que se alimentaba a las bacterias.

Dieta a base de gas

Milo y su equipo utilizaron una mezcla de ingeniería genética y de evolución en el laboratorio para crear una cepa de E. coli que obtuviera todo el carbono del CO2. Primero, introdujeron en 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 utilizan la luz como fuente de energía para llevar a cabo esta conversión, pero E. coli carece de esta capacidad. De modo que los autores insertaron un gen que permite a la bacteria obtener la energía de una molécula orgánica denominada formiato.

Pero incluso con esas innovaciones, la bacteria continuaba sin sustituir el consumo de azúcar por el de CO2. Para modificar aún más la cepa, los investigadores cultivaron sucesivas generaciones de E. coli modificada durante un año y le ofrecieron solo cantidades mínimas de azúcar y CO2 en concentraciones unas 250 veces superiores a las de la atmósfera terrestre. Esperaban que desarrollaran mutaciones para adaptarse a esta nueva dieta. Después de unos 200 días, surgieron las primeras células capaces de utilizar CO2 como única fuente de carbono. Y después de 300 días, estas bacterias crecieron más rápido en las condiciones de laboratorio que aquellas que no podían aprovechar el CO2.

Las cepas de E. coli que consumen CO2, o autotróficas, siguen manteniendo la capacidad de crecer con azúcar, y se decantarían por esa fuente de energía, antes que el CO2, si tuvieran la opción, comenta Milo. En comparación con las bacterias no modificadas, cuyo número se duplica cada 20 minutos, las E. coli autotróficas quedan rezagadas y se dividen cada 18 horas, cuando crecen en una atmósfera del 10 por ciento en CO2. Y con los niveles atmosféricos actuales, del 0,041 por ciento, no pueden subsistir sin azúcar.

Milo y su equipo esperan hacer que sus bacterias crezcan más rápido y vivan con niveles más bajos de CO2. También están tratando de entender cómo evolucionó, con solo modificar 11 genes, E. coli hasta conseguir consumir CO2.

El trabajo muestra el poder conjunto de la ingeniería y de la evolución para mejorar los procesos naturales, opina Cheryl Kerfeld, bioingeniero de la Universidad Estatal de Michigan y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, en California.

La bacteria E. coli ya se utiliza para fabricar versiones sintéticas de sustancias útiles, como la insulina y la hormona de crecimiento humano. Milo explica que su trabajo podría ampliar el número de productos que podrían fabricar, como combustibles renovables, alimentos y otras sustancias. Sin embargo, no cree que estos avances sucedan pronto. Todavía llevará algunos años hasta que veamos la aplicación de este microorganismo.

Ewen Callaway

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «Conversion of Escherichia coli to generate all biomass carbon from CO2». Shmuel Gleizer et al. en Cell, vol. 179, n.º 6, págs. 1255-1263, noviembre de 2019.

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