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Fábricas celulares microbianas para conseguir procesos de producción más sostenibles

Los microorganismos que producen sustancias químicas valiosas podrían reemplazar un día a los combustibles fósiles como fuentes de compuestos industriales. Para hacerlo posible, en el proyecto CUSTOM-SENSE se han creado biosensores que facilitan la identificación de los microorganismos con el mayor potencial.

Cambio climático y medio ambiente
Tecnologías industriales

La humanidad se ha acostumbrado a fabricar los compuestos químicos que necesita a partir de combustibles fósiles, con las consecuencias que ello conlleva en términos de alto consumo de energía, emisiones de CO2 y productos de desecho tóxicos que se vierten a la naturaleza. Pero ¿y si pudiéramos fabricar aminoácidos, colorantes alimenticios o monómeros plásticos con microorganismos? Al fin y al cabo, ¿no son los combustibles fósiles de origen microbiano? Desde hace años, la biotecnología industrial tiene por objeto utilizar microorganismos o sus enzimas para convertir los azúcares en los numerosos compuestos que proporciona la industria química, solo que a través de un proceso más sostenible. Pero para que esto sea posible, primero los investigadores deben identificar qué microorganismos producen qué compuestos y en qué medida. «La idea es diseñar microorganismos y “forzarlos” a canalizar su energía hacia la producción de sustancias químicas en lugar de centrarnos en el crecimiento y la replicación. Sin embargo, a menudo no sabemos cómo maximizar la formación de sustancias en el microorganismo dado. Para solventar este problema, tenemos que crear cientos o miles de variantes del mismo microorganismo y caracterizarlas individualmente. Esto requiere grandes inversiones en términos de dinero, mano de obra y tiempo», afirma Jan Marienhagen, jefe del Departamento de Fábricas Celulares Sintéticas, del Centro de Investigación Jülich (Alemania). Para superar estos problemas, en mayo de 2015 Marienhagen puso en marcha el proyecto CUSTOM-SENSE (Custom made biosensors - Accelerating the transition to a bio-based economy), financiado por el Consejo Europeo de Investigación (CEI). «Tenemos dos objetivos centrales», explica Marienhagen. «El primero es averiguar si podemos diseñar y construir biosensores para examinar una célula individual y hacernos una idea de la cantidad que produce. El segundo es proporcionar una tecnología capaz de evaluar la capacidad de producción de millones de células muy rápidamente, sin necesidad de cultivarlas».

Biosensores y rastreadores

En concreto, en CUSTOM-SENSE se trabaja en una gama de biosensores que pueden detectar sustancias químicas interesantes directamente en células individuales. Cada sensor trata de detectar un compuesto definido y, una vez que lo encuentra, fuerza al microorganismo a emitir fluorescencia cuando produce el compuesto en cuestión. Cuanto más compuesto produce un microorganismo, más fluorescente se vuelve. Obviamente, analizar las células una por una sería imposible, por lo que Marienhagen y su equipo combinan su enfoque de biosensores con máquinas llamadas clasificadoras de células activadas por fluorescencia (FACS, por sus siglas en inglés). «Podemos mirar hasta 80 000 células por segundo. Con tanta “capacidad de cribaje”, la idea de producir miles —o incluso millones— de variantes celulares y ver cómo afecta cada cambio a la formación del producto ha dejado de ser un sueño. Se puede materializar, lo que no solo significa cepas de producción estables, sino también más información sobre el metabolismo microbiano», señala Marienhagen. El equipo del proyecto ya ha desarrollado varios biosensores para aminoácidos y compuestos aromáticos de interés biotecnológico y los ha combinado con el dispositivo FACS para llevar a cabo grandes campañas de cribaje. Aunque el proyecto no finaliza hasta abril de 2021, algunos de sus hallazgos ya están despertando interés. «Hemos conseguido “refinar” notablemente la especificidad de un biosensor, lo que significa que hemos logrado eliminar una especificidad del biosensor sin alterar la respuesta a otro metabolito de interés. Es algo que no se había hecho nunca antes y se ha publicado recientemente en la prestigiosa revista Nature Communications. Mientras tanto, hemos creado toda una “familia de biosensores” para compuestos aromáticos muy diferentes, todos los cuales pueden combinarse con FACS y utilizarse directamente», añade Marienhagen. En los próximos meses, el equipo aspira a seguir trabajando en algoritmos informáticos para investigar los cambios en cien variantes de cepas diferentes, mejoradas con los biosensores del proyecto. Se espera que ese estudio contribuya a mejorar la comprensión del metabolismo microbiano y que derive en más aplicaciones industriales para los microorganismos, lo que a su vez propiciaría un sector industrial europeo más ecológico.

Palabras clave

CUSTOM-SENSE, sustancias químicas, industria, microorganismos, biosensores

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